РЕАЛИЗАЦИЯ ПОДСИСТЕМЫ СБОРА ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМАХ НЕПРЕРЫВНОГО МОНИТОРИНГА УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ НА ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ КОНТРОЛЛЕРАХ

МЕТОДЫ МОНИТОРИНГА В ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМАХ

УДК 656.25 Р. Б. Абдуллаев

Кафедра «Автоматика и телемеханика на железных дорогах», Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Санкт-Петербург

РЕАЛИЗАЦИЯ ПОДСИСТЕМЫ СБОРА ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМАХ НЕПРЕРЫВНОГО МОНИТОРИНГА УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ НА ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ КОНТРОЛЛЕРАХ

В статье рассмотрены вопросы применения промышленных программируемых логических контроллеров для задач построения системы автоматизации процесса технического диагностирования состояния устройств железнодорожной автоматики и телемеханики. Приведены существующие методы технического обслуживания подобных устройств и их недостатки. Перечислены эксплуатируемые системы технического диагностирования и непрерывного мониторинга объектов железнодорожной автоматики на российских железных дорогах.

С учетом немалой стоимости существующих систем технического диагностирования и мониторинга предложена разработка подобной системы на основе программируемых логических контроллеров. Для этого приводятся основные принципы получения дискретных и аналоговых данных с объектов железнодорожной автоматики. Даны некоторые примеры, места подключения модулей, датчиков к контрольным точкам диагностируемых объектов. Показано, что некоторые модули отечественных производителей не требуют для измерения параметров объектов отдельных датчиков-преобразователей, что значительно удешевляет стоимость будущей системы. Организационная структура системы строится на основе предлагаемых контроллеров и места их оптимального расположения на объектах железных дорог.

Продемонстрирован принцип обмена диагностическими данными напольных объектов автоматики с постом электрической централизации, приведены некоторые характеристики по-мехозащищенных каналов связи, в которых используются в основном полиномиальные коды. Обозначены пути решения задачи организации питания модулей программируемых логических контроллеров и датчиков. В большинстве случаев это готовые решения существующей системы управления движением. Указаны примерные затраты на реализацию системы на базе программируемых логических контроллеров и влияние реализуемых систем на качественные показатели деятельности железнодорожного транспорта.

Техническое диагностирование устройств автоматики, непрерывный мониторинг, программируемые логические контроллеры на транспорте, полиномиальные коды в системах мониторинга

DOI: 10.20295/2412-9186-2020-6-3-309-331

Введение

Железнодорожная автоматика и телемеханика (ЖАТ) является одной из важнейших отраслей в обеспечении безопасного и бесперебойного перевозочного процесса на железнодорожном транспорте [1—3]. В настоящее время наблюдается тенденция реализации систем ЖАТ на базе микроэлектронных и микропроцессорных компонентов [1, 4], хотя подавляющее большинство эксплуатируемых на железных дорогах систем построено на базе технических решений прошлого века — с использованием реле. Тем не менее, свои функции морально устаревшие устройства и системы выполняют на высоком уровне безопасности.

Для поддержания заложенного при проектировании уровня надежности устройств и систем ЖАТ, независимо от используемой элементной базы, необходимо техническое обслуживание устройств и узлов данных систем [5—7]. Применение современной элементной базы при проектировании подобных систем, как и использование необслуживаемых устройств и модулей, в некоторой степени облегчает, но не исключает задачу технического обслуживания некоторых объектов. Техобслуживание устройств и систем ЖАТ заблаговременно устраняет возможные отказы и сбои на основе оценки технического состояния диагностируемых узлов. Продлевается срок службы устройств и систем, исключаются нештатные ситуации в перевозочном процессе.

Задачи технического обслуживания устройств и систем ЖАТ заключаются в измерении параметров диагностируемых узлов, общей оценке технического состояния, выявлении причин изменения параметров за пределы нормы, осуществлении мероприятий для сохранения параметров в допустимых пределах, выявлении элементов, узлов, ставших причиной сбоя или отказа, восстановлении работоспособного состояния устройств, систем, осуществлении плановых и регламентных работ по поддержке надлежащего технического состояния устройств и систем ЖАТ. Перечень может расширяться и дополняться, а также сокращаться в зависимости от применяемого подхода технического обслуживания, что непосредственно может влиять на качество технического диагностирования устройств ЖАТ.

Самым распространенным является ручной способ технического диагностирования устройств ЖАТ. В некоторой степени он сохраняется даже при автоматизации данного процесса. Для этого на дистанциях службы сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) постоянно работают группы специалистов, закрепленных на конкретных участках и объектах железной дороги. В этом случае очевидно, что на качество обслуживания в большей степени влияет человеческий фактор, что можно считать существенным недостатком такого способа диагностирования. Для исключения подобных ошибок и повышения качества технического обслуживания вместе с системами управления движением на объектах железных дорог используют различные устройства и системы технического диагностирования и мониторинга (СТДМ) устройств ЖАТ [8—12]. Они позволяют автоматизировать процесс технического обслуживания, вести

непрерывный мониторинг состояний, параметров диагностируемых объектов, выявлять их предотказное состояние и причины отказов. Получили широкое применение такие отечественные системы, как «Аппаратно-программный комплекс диспетчерского контроля» (АПК-ДК), «Автоматизированная система диспетчерского контроля» (АСДК) и «Автоматизированная система диагностирования и контроля устройств сигнализации, централизации и блокировки» (АДК-СЦБ) [13—15]. Активно разрабатывают и внедряют устройства технического диагностирования и СТДМ устройств ЖАТ в зарубежных странах [3, 7, 8, 16]. На железных дорогах Европы используются изделия Siemens, Shift2Rail и др. [8, 9]. Наметилась тенденция внедрения подсистем для объектов железнодорожной инфраструктуры и других отраслей. Некоторые крупные производители предлагают целый комплекс подсистем мониторинга [8].

Разработкой всего комплекса аппаратных и программных средств СТДМ ЖАТ занимаются специализированные фирмы, которых не так много в РФ. Их СТДМ ЖАТ имеют немалую стоимость и при любой реконфигурации объектов железных дорог полностью зависят от производителя. Во многом из-за этих причин на большинстве участков железных дорог продолжает применяться ручной способ диагностирования.

Отметим также отсутствие в этих системах анализа диагностических данных и обоснованности выбора ряда контрольных точек измерения.

Учитывая минусы традиционного способа диагностирования, высокую стоимость существующих СТДМ ЖАТ и некоторые другие недостатки [6, 10, 17—19], автор данной работы рассматривает вопросы построения СТДМ ЖАТ на базе промышленных программируемых логических контроллеров (ПЛК) [20—22]. Они широко применяются для построения систем управления и мониторинга в атомной энергетике, химической, нефтеперерабатывающей, судостроительной, текстильной и в других отраслях промышленности [20, 23]. Есть примеры использования ПЛК на магистральном железнодорожном транспорте [16] — в бортовом оборудовании электровозов [24].

Целесообразность использования ПЛК при построении СТДМ ЖАТ объясняется отсутствием возложения на подобные системы ответственных команд, задач по управлению движением поездов. Имеют значение и невысокая стоимость, и широкая доступность их модификаций на рынке, что позволяет строить довольно гибкие системы мониторинга. Но стоить упомянуть, что в некоторых отраслях применяются и ПЛК с достаточно высоким уровнем надежности, таких как УПБ3 (SIL3) [16, 25], что в перспективе может затронуть вопрос управления движением [26—28].

1. Система технического диагностирования и мониторинга

с использованием программируемых логических контроллеров

Итак, для определения технического состояния осуществляют замер различных физических величин параметров объекта диагностирования специ-

альными измерительными приборами и инструментами. Снятие таких величин осуществляют в схемных решениях контрольных объектов, таких как выводы питания путевого реле, выходные клеммы питающего трансформатора, напряжение между фазами питания стрелочного электродвигателя переменного тока, получение дискретных данных со свободных контактов реле, коммутаторов и т. п.

Наработками ручного способа диагностирования и разработчиками вышеперечисленных СТДМ уже сформирован необходимый перечень измеряемых параметров объектов ЖАТ. Но специалисты фирм-производителей продолжают совершенствовать принципы измерения параметрических величин объектов, искать «оптимальные» контрольные точки съема информации в узлах систем. При внедрении новых устройств ЖАТ появляется необходимость поиска контрольных точек для получения диагностической информации с достаточной глубиной и полнотой процесса диагностирования.

В [6, 13] приводится перечень основных измеряемых параметров и места их съема, чего вполне хватает для интересующего нас вопроса. При рассмотрении конкретных проектов данный перечень может сокращаться.

В промышленной автоматике для воплощения технологических задач уже довольно давно используют ПЛК разных производителей. С их помощью реализуются проекты автоматизации производственного процесса во многих отраслях, начиная с таких, как атомная, нефтегазовая, железнодорожная, и заканчивая технологиями типа «умный дом» [29—31]. Возникает интерес к применению их в области автоматики на железнодорожном транспорте, с возложением на эти устройства задач, пока не связанных с безопасностью движения поездов.

На рынке присутствует множество производителей ПЛК, зарубежных и отечественных. Наиболее популярны Siemens, Schneider Electric, ABB, Fastwel, «Овен», «Вымпел». Не забывая о стратегии импортозамещения и стоимости зарубежных аналогов, рассмотрим решение поставленной задачи на примере продукции одного из отечественных производителей — ПЛК Fastwel [32].

Полный перечень функциональных модулей Fastwel I/O состоит из следующих устройств:

— контроллеры узла сети;

— модули ввода/вывода дискретной информации;

— модули ввода/вывода аналоговой информации;

— модули питания, размножения потенциала;

— модули сетевых интерфейсов;

— модули расширения внутренней шины FastwelBUS (FBUS);

— модули измерения температуры и оконечные модули.

Исполнение всех модулей предусмотрено в корпусе WAGO с креплением на DIN-рейку (см. рис. 1).

Для реализации задачи построения СТДМ ЖАТ на основе модулей Fastwel I/O требуется выбрать подходящие по параметрам аппаратные средства производи-

Рис. 1. Установка модулей Fastwel I/O на DIN-рейку и порядок их размещения

теля, а также учесть их стоимость. Далее мы приведем некоторые рекомендации по выбору модулей для построения СТДМ ЖАТ, примеры снятия диагностической информации и подключения модулей к контрольным точкам объектов ЖАТ.

Контроллеры узла сети (рис. 2) предназначены для получения от модулей ввода оцифрованных (преобразованных в стандартный вид) данных, их обработку, выполнение заложенных программным обеспечением команд, обмен данными с другими модулями сети, вывод информации конечному пользователю через графические преобразователи.

В зависимости от модификации, каждый контроллер узла сети обладает определенной емкостью временной и постоянной памяти, а некоторые — возможностью расширения постоянной памяти с помощью флэш-накопителей типа MMC. Все модули функционируют на основе операционной системы реального времени. Комплекс программного обеспечения для модулей Fastwel I/O (операционная система, программы для автоматизированного рабочего места, драйверы периферийных модулей, сетевых интерфейсов и т. п.) разрабатывается в единой для данных контроллеров программной среде CoDeSys [33] версии 2.3 и выше. Использование одной программной оболочки для разработки множества средств системы считается очень удобным. Кроме этого, в этой программной среде предусмотрена эмуляция написанного программного комплекса для системы мониторинга, что позволяет производить его отладку во время написания кода программ.

СРМ704 СРМ712 СРМ713

Рис. 2. Рекомендуемые контроллеры узла сети Fastwel I/O

Обмен информации контроллеров узла сети с модулями ввода (только ввода — в системе мониторинга осуществляется лишь снятие диагностических данных!) и модулями сетевых интерфейсов осуществляется по внутренней межмодульной шине FBUS со скоростью передачи данных до 2 Мб/с. FBUS также является шиной питания некоторых «слаботочных» модулей ввода; это аналогия физического интерфейса RS-485 с протоколом передачи Modbus RTU [34]. При данном протоколе центральный модуль производит поочередной опрос состояния буфера данных вводных модулей по шине FBUS, а затем на основе алгоритма написанного программного обеспечения осуществляет команды.

При реализации распределенной СТДМ ЖАТ требуется использование нескольких контроллеров узла сети. Обмен информацией может происходить по уже готовым решениям производителя и (в зависимости от модификации используемых контроллеров сети) по физическим интерфейсам CAN (протяженностью до 1000 м), RS-422 (до 1200 м), RS-485 (до 1200 м), Ethernet (до 100 м) [34]. Можно передать данные по беспроводному каналу связи WiFi, но в данном случае необходимо оценить расходы по стыковке различных интерфейсов и сопоставить с расходами существующих решений, поскольку для данного канала связи готовых решений у производителя нет.

По рисунку 3 можно увидеть, что при использовании сети Ethernet показана возможность реализации нескольких master-устройств. Для некоторых специфических задач может понадобиться и такой вариант обмена данными. Это предусмотрено в Fastwel I/O при любом интерфейсе связи.

Автоматизированное техническое диагностирование объектов ЖАТ требует снятия различных параметрических величин с их контрольных точек. В основном величины подразделяются на два вида: дискретные и аналоговые. Для этой задачи у производителя Fastwel I/O имеется множество модулей дискретного

Рис. 3. Примеры подключения нескольких контроллеров сети к интерфейсам связи Ethernet и CAN, RS-422

и аналогового ввода. Для питания большого количества устройств ЖАТ используется напряжение постоянного тока +24 В и напряжение переменного тока 230 В. Поэтому отметим, что для измерения модулями Fastwel I/O определенного диапазона величин параметров (напряжение постоянного тока от —3 до +60 В, дискретный замер переменного 230 В) и в некоторых случаях для вышеперечисленных величин не требуется использовать специальные преобразователи величин [35] — датчиков тока, напряжения и т. п., что значительно удешевляет стоимость будущей системы мониторинга.

Модули дискретного ввода Fastwel I/O предусматривают замер напряжений постоянного тока. Для снятия дискретных данных с объектов ЖАТ можно использовать датчики в виде свободных контактов реле (так называемые «сухие» контакты), свободные контакты от коммутаторов, кнопок, подводимое питание ламп пульт-табло (табло). Для примера на рисунке 4 приведено подключение датчиков типа «сухой» контакт к портам модуля ввода DIM717. Подача напряжения на модуль DIM717 осуществляется через дискретные датчики, подводимые от модуля питания ОМ752 напряжением +24 В.

Если необходимо применить контроль целостности цепи дискретного канала, можно использовать дискретные модули DIM765 (766), в которых предусмо-

трено подключение шунтирующих резисторов номиналом от 1,8 до 33,0 КОм для создания токов утечки. Дребезг сигнала при коммутации контактов исключается при задании настроек дискретных модулей, т. е. программным способом. На входы всех дискретных модулей «0—24» возможна подача напряжения до 30 В.

Для снятия аналоговых величин параметров в Fastwel I/O применяются модули ввода аналоговых величин типа AIM. Выше отмечалось, что некоторые диапазоны параметров могут измеряться напрямую самими модулями, без использования специальных датчиков-преобразователей. При подборе конкретных модулей имеется возможность подключения к датчикам информации в однопроводном режиме с общей землей, а также в дифференциальном. Например, без использования датчиков напряжения с помощью модулей AIM726 (727) можно измерять напряжения от 0 до +40 В, при модулях AIM729 (728) — от —20 до +20, соответственно, в каждом случае в однопроводном и дифференциальном подключении напрямую к контрольным точкам. Во всех модулях AIM используются аналогово-цифровые преобразователи на основе процессора Atmega с разрядностью до 22 бит. Для замера напряжений постоянного тока слаботочных цепей можно использовать универсальный модуль AIM792, в ко-

Модуль распр

Можно применять для всех

датчиков типа «сухой» контакт при использовании

модуля В1М765(766) для контроля целостности цепи

Рис. 4. Подключение модуля снятия дискретных сигналов DIM717 к датчикам типа «сухой» контакт устройств ЖАТ

тором возможна индивидуальная настройка диапазона измерений напряжений 0-5 В, 0-10 В, —5...+5 В, -10... + 10 В.

Надо заметить, что в железнодорожной автоматике применяются более широкие диапазоны напряжений и токов, чем вышеприведенные, а при техническом диагностировании возникают и другие специфические задачи. Они не ограничиваются простым измерением токов и напряжений при помощи вышеперечисленных аналоговых модулей ввода. В их числе определение сопротивления изоляции кабеля, которое требует специализированных приборов. В таком случае рекомендуется использовать другие аналоговые модули ввода Fastwel с датчиками-преобразователями (датчики тока, напряжения, мощности, см. рис. 5). Многие производители выпускают подобные датчики со стандартными для ввода в аналоговые модули ПЛК выходными сигналами постоянного тока 0-20 мА или 4-20 мА.

На рисунке 6 приведена схема подключения через датчики тока и напряжения модуля А1М791 к контрольным точкам схемы управления электроприводом переменного тока. В существующих СТДМ ЖАТ с помощью измеренных величин параметров в этих точках осуществляют косвенную оценку усилий перевода остряков стрелки электроприводом [6]. Из рисунка можно видеть принципы подключения модуля ввода к контрольным точкам ЖАТ для измерения напряжения питания фазочувствительных рельсовых цепей (датчик

Рис. 5. Внешний вид датчиков тока и напряжений

00

СП

о сь з:

СГ

го о го о

Рис 6. Подключение датчиков тока и напряжения к вводным портам модуля А1М791 для измерения аналоговых величин

токов и напряжений в контрольных точках объектов ЖАТ

Места л^дн установки маркеров

Индикаторы состояния

К схеме ~~L

I +AI2 управления светофором

1

-AI2

Фиксатор

К контактам реле НПС

ппс

ппс

Shield

Кабельные линии

Пост ЭЦ

Л1

JI2

Напольные объекты I-------

напольной схеме

Г" "к

управления светофором

К электроприводу

J

Рис. 7. Метод измерения сопротивления изоляции кабельных линий между постом ЭЦ и напольными объектами

с помощью дифференциальных датчиков тока и модуля А1М722

напряжения подключен к выходным клеммам вторичной обмотки питающего трансформатора) и питания самого путевого реле. Модуль AIM791 предусматривает подключение к датчикам по однопроводному принципу с общей землей.

Если по каким-либо причинам подключение с общей землей к датчикам считается недопустимым, то рекомендуется использовать модули ввода типа AIM722, который предусматривает подключение к датчикам по двухпроводной линии. На рисунке 7 показан принцип измерения по той самой дифференциальной паре сопротивления изоляции кабеля между постом электрической централизации и напольными объектами ЖАТ. Для измерения сопротивления изоляции кабеля используются специальные дифференциальные датчики тока. Они осуществляют замер токов утечки, точнее, сопоставляют величину протекающего тока по обоим проводам. Также измерить сопротивление изоляции кабеля можно с использованием четырехканального модуля AIM721 (723). Но в этом случае подключение модулей к дифференциальным датчикам предусматривается по однопроводному принципу с общей землей.

Некоторые датчики тока и напряжений получают питание по той же самой петле «4—20 мА», что очень удобно и не требует лишних питающих устройств и прокладки соответствующей линии. Для датчиков, нуждающихся в отдельном питании, необходима подача стандартного напряжения для всех +24 В.

Подключение датчиков тока и дифференциальных датчиков тока к контрольным точкам производится без разрыва физической линии: через отверстия датчиков просто пропускаются контролируемые провода.

Датчики тока, напряжения, дифференциальные, дискретные и другие датчики подсоединяются к модулям аналогового и дискретного ввода медным проводом сечением 0,08—2,5 мм 2.

2. Структурная схема реализуемой системы технического

диагностирования и мониторинга

Все модули Fastwel I/O монтируются на DIN-рейку и в таком виде могут располагаться на релейных стативах поста электрической централизации. Такое централизованное нахождение всех модулей и подключение к объектам диагностирования считается целесообразным, если контролируемые объекты присутствуют только на посту электрической централизации. Но иногда это может приводить к перерасходу кабельной сети при подключении к датчикам. Например, во время снятия диагностических данных с объектов ЖАТ, расположенных в аккумуляторных помещениях; при установке датчиков в кроссовом помещении и подключении их к кабельной сети централизации; при снятии дискретных данных с пульт-табло. К тому же множество объектов ЖАТ расположено на поле, и тогда требуется их диагностирование с места.

В целях сокращения перерасхода кабельной сети оптимальным решением будет построение распределенной системы мониторинга. На рисунке 8 при-

ъ.

с

ш <-+

о' о

з1

СЛ

"а о Д.

о

со §

CJ)

СЯ CD

"а <-+

CD

СУ CD

NJ О NJ О

Сигнальные установки на перегоне

Переезды, расположенные на перегоне

Устройство согласования интерфейсов

S3

и g

Линейный пункт 1

Центральный пункт

УСИС

ВОЛС

| Аппаратура связи |

Канал связи

| Аппаратура связи |

УСИС

| Аппаратура связи |

Центральный контроллер узла сети

FBUS*

Пост электрической централизации

FBUS*

АРМ-ПШ

| Аппаратура связи |

Линейный пункт 2

Линейный пункт N

RS-485

Модули дискретного ввода DIM71X, DIM76X

Модули размножения потенциала ОМ758

Модули аналогового ввода AIM72X, АШ79Х

Модули питания ОМ75Х

Датчики замера аналоговых величин

Свободные контакты реле

Фидеры питания

Пульт-табло, табло, манипулятор

Сопротивление изоляции кабеля

Токи и напряжения в схеме управления _стрелок_

Аккумуляторные батареи

Основные напряжения и токи

Напряжения на питающих и приемных концах рельсовой цепи

Узел 1

Напольные устройства ЛП 1 ^

Контроллер узла сети

Релейный шкаф

Узел 2

Модули аналогового ввода AIM72X, AIM79X

Модули питания

ОМ75Х и размножения потенциала ОМ758

Датчики замера аналоговых величин

.FBUS

Модули дискретного ввода DIM71X, DIM76X

Свободные контакты репе

Основные токи и напряжения

Аккумуляторные батареи

Узел N

* - для сокращения расхода кабеля модули ввода могут размещаться вблизи датчиков, но при этом необходимо использование отдельного модуля узла сети, который будет связан с центральным узлом сети по RS-485

Рис. 8. Организационная структура СТДМ ЖАТ на основе контроллеров Fastwel I/O

о

3

3

сю,

CD <-+

О CL СЛ

Ш (Л

"а о Д.

(л

00 ы

ведена организационная структура СТДМ ЖАТ на основе ПЛК Fastwel. Принцип организации передачи информации с переездов и сигнальных установок на станцию (линейный пункт) и далее по каналам связи в центральный пункт (ситуационные центры, диспетчерский центр, дистанция СЦБ и т. д.) напоминают принятые в системе «Частотный диспетчерский контроль» [36].

По рисунку можно заметить, что распределенная структура станционной системы подразумевает разделение объектов контроля по узлам сети. В качестве узла могут выступать подходы к станции, группа выходных светофоров одной горловины, переезды и отдельные близко расположенные группы объектов (см. также рис. 9). Модули ПЛК в таком случае могут размещаться в установленных релейных и батарейных шкафах, а при отсутствии таковых — вблизи объектов диагностирования в отдельно устанавливаемых для модулей ПЛК путевых ящиках.

Техническая документация Fastwel I/O показывает, что питание любых модулей, как и практически всех датчиков-преобразователей, осуществляется напряжением +24 В. Соответственно, питание может сниматься с полюсов П и М в релейных и батарейных шкафах либо через выпрямители с полюсов ПХ и ОХ в релейных шкафах. Если поблизости нет источника питания, оно может сниматься с высоковольтной линии автоблокировки, линии электропередач и даже с контактной сети через специальные понижающие трансформаторы. Для обмена информацией между контроллерами узлов сети и центральным контроллером, расположенным на посту электрической централизации, возможно использование интерфейсов связи RS-485 или CAN (в зависимости от типа контроллеров). При большой удаленности станционных объектов от поста централизации увеличить дальность канала RS-485 можно с помощью специальных репитеров. Несмотря на то, что в RS-485 используется более устойчивый к помехам дифференциальный способ передачи, помехоустойчивость линии в обоих интерфейсах связи обеспечивается применением циклических кодов CRC16 и LRC.

В качестве отдельных узлов сети также могут рассматриваться постовые помещения централизации: кроссовые, аккумуляторные, дизель-генераторные помещения и др. Для подключения контроллеров узлов сети, расположенных на посту помимо CAN и RS-485, можно использовать более скоростной интерфейс связи Ethernet. В данном интерфейсе связи для помехоустойчивости канала также применяются полиномиальные коды.

Принципы подключения, обмена информацией между модулями ПЛК для перегонных переездов и сигнальных точек реализуются наподобие любого станционного узла сети. Полученные диагностические данные через устройство согласования интерфейсов передаются на ближайшую станцию по существующей линии ДСН-ОДСН или по оптоволоконной линии связи. Необходимое питание для модулей ПЛК и датчиков в релейных шкафах перегонных объектов имеется.

Узел 2

Узел 3 Узел 4

Рис. 9. Условное разделение станционных напольных объектов на узлы СТДМ и организационная структура питания

и обмена информацией с постом электрической централизации

3. Некоторые экономические вопросы использования программируемых логических контроллеров

Стоимость будущей системы на базе ПЛК в основном складывается из расходов на закупку модулей контроллеров, датчиков-преобразователей, разработку программного обеспечения системы, кабельную сеть и пусконаладочные работы. Приведем условно небольшой расчет материальных затрат аппаратной части, поскольку все прочие расходы присутствуют и при выборе других существующих систем.

Допустим, необходимо реализовать СТДМ ЖАТ со ста контрольными точками, с вводом аналоговых и дискретных данных в соотношении 40/60 и распределением данной системы на шесть узлов сети. Расходы на модули ПЛК Fastwel составят 265 698 рублей (см. табл., цены на модули ПЛК взяты с сайта http://antrel31.ru/).

Таблица. Примерные затраты на закупку модулей ПЛК для реализации системы мониторинга со 100 контрольными точками

Модуль Цена, руб. (без НДС) Кол-во Всего, руб.

СРМ712-01 22414 6 134484

А1М791-01 15570 5 77 850

DIM71701 5910 8 47 280

0М75001 1059 6 6 354

ИТОГО 265698

Цены на датчики тока и напряжений зависят от максимальных значений тока и напряжения в измеряемой сети. Для наших задач подойдут датчики (по данным сайта www.priborelektro.ru) в ценовом диапазоне от 3060 до 4560 рублей. Следовательно, максимальные расходы на датчики (40 штук) при цене 4560 рублей за каждый составят 182 400 рублей. В таком случае примерные аппаратные затраты в итоге будут равняться 448 098 рублям.

В расчетах не учтены материальные расходы на кабельный материал для организации канала связи и питания модулей, увязки датчиков с измерительными контроллерами, подготовку автоматизированного рабочего места пользователя и прочие траты, которые уместны и при существующих СТДМ ЖАТ

Если сравнивать полученные цифры с расходами на аппаратную часть существующих производителей СТДМ ЖАТ, а именно на центральное вычислительное устройство (концентратор или какой-либо другой прибор - у каждого производителя свое наименование) и измерительные контроллеры, то суммы получаются намного меньше. Данный расчет является приблизительным. При осуществлении реальных проектов количество контрольных точек модулей ПЛК может быть значительно больше.

Следует также указать и малые габариты модулей ПЛК, которые, как было сказано, устанавливаются на DIN-рейку, а при наличии свободного места -на релейных стативах, в релейных и батарейных шкафах. В отличие от других СТДМ ЖАТ они не требуют выделения отдельного места, стоек и т. п.

Эксплуатационные расходы: СТДМ ЖАТ на базе ПЛК минимальны, системы, построенные на их базе, рассчитаны на долгосрочную перспективу. У каждого модуля практически всех производителей большое количество часов наработки на отказ.

Наименьшее время наработки на отказ у Fastwel I/O имеет контроллер узла сети CPM712 (360 000 часов). Потребление электроэнергии модулей того же производителя ПЛК в среднем составляет 150 мА.

При применении ПЛК в разработке СТДМ ЖАТ (в силу устранения недостатков существующих СТДМ) предусматривается разработка и внедрение в ПО модулей ПЛК алгоритмов анализа диагностических данных устройств ЖАТ, подсистемы поддержки принятия решений, прогнозирования дальнейшего состояния диагностируемых устройств. Все это позволило бы своевременно предотвращать причины отказов, сбоев, сводить к минимуму нештатные ситуации в перевозочном процессе.

Заключение

Возможности применения промышленных ПЛК для реализации задач построения СТДМ ЖАТ рассмотрены на примере технических решений Fastwel I/O. Указаны особенности подключения измерительных модулей ПЛК к контрольным точкам объектов диагностирования, места размещения модулей ПЛК.

Исходя из характеристик модулей ПЛК, отметим, что диапазон напряжений и род питающего тока для модулей уже имеется на посту ЭЦ и в релейных шкафах ЖАТ. Это ощутимо облегчает организацию питания и снижает стоимость системы мониторинга. Значительных затрат средств, выделяемых на закупку аппаратной части системы на базе ПЛК, требуют датчики-преобразователи для снятия аналоговых величин. А чтобы проложить кабель для подсоединения аналоговых и дискретных датчиков к модулям ввода (данные кабели имеют небольшую длину из-за близкого расположения к объектам), станцию необходимо обеспечить дополнительной линией связи узлов системы мониторинга — RS-485 или CAN.

Но даже с учетом всех этих расходов (большая их часть уместна и при внедрении СТДМ ЖАТ специализированных фирм-производителей) реализация процесса автоматизированного технического диагностирования и мониторинга объектов ЖАТ с использованием программируемых логических контроллеров получается низкозатратной. Это подтверждает актуальность их применения и в таком приложении.

Библиографический список

1. Theeg G. Railway Signalling & Interlocking: 3ed Edition / G. Theeg, S. Vlasenko. - Germany, Leverkusen PMC Media House GmbH, 2020. - 552 p.

2. Schmidt St. APS - Advanced Protection System; the low-cost introduction of ETCS Level 2/3/St. Schmidt // DVV Media Group GmbH: Signal + Draht. - 2019. - Vol. 111, iss. 10. - Р. 22-31.

3. Langschwert C. End position detector systems - safety on the right track / C. Langschwert, H. Achleitner // DVV Media Group GmbH: Signal + Draht. - 2019. - Vol. 111, iss. 9. - Р. 50-58.

4. Казимов Г. А. Микропроцессорная централизация стрелок и сигналов EBILock 950 / Г. А. Казимов, В. Н. Алешин, А. Е. Деревянко, С. В. Золотарева, Г. Ф. Лекута, С. Б. Плагу-нов, А. В. Сураев, С. А. Хохлов, К. Д. Хромушкин / под ред. Г. Д. Казиева. - М.: ТРАНС-ИЗДАТ, 2008. - 368 с.

5. Надежность и эффективность в технике: справочник. Н17. В 10 т. / под общ. ред. В. В. Клюева, П. П. Пархоменко // Техническая диагностика. - М.: Машиностроение, 1987. - Т. 9. - 352 с.

6. Ефанов Д. В. Функциональный контроль и мониторинг устройств железнодорожной автоматики и телемеханики / Д. В. Ефанов. - СПб.: ФГБОУ ВО ПГУПС, 2016. - 171 с.

7. Wernet M. Digital tools for relay interlocking diagnostics and condition assessment / M. Wernet, M. Brunokowski, Ph. Witt, T. Meiwald // DVV Media Group GmbH: Signal + Draht. - 2019. -Vol. 111, iss. 11. - P. 39-45.

8. TD 3.7 - Railway Integrated Measuring and Monitoring System

9. Rail Automation. - URL: https://www.mobility.siemens.com/global/en/portfolio/rail/ automation.html

10. Karevs V. Railway Automation and Telematics Systems' Monitoring and Diagnostic Methods' Research and Development. PhD Thesis / V. Karevs. - Riga: [RTU], 2013. - 172 p.

11. Брейдо А. И. Организация обслуживания железнодорожных устройств автоматики и связи / А. И. Брейдо, В. А. Овсянников. - М.: Транспорт, 1983. - 209 с.

12. Hamadache M. On the fault detection and diagnosis of railway switch and crossing systems: an overview / M. Hamadache, S. Dutta, O. Olaby, R. Ambur, E. Stewart, R. Dixon // Applied Sciences. - 2019. - Vol. 9, N 23, 5129. - P. 2-32. DOI: 10.3390 / app9235129

13. Молодцов В. П. Системы диспетчерского контроля и мониторинга устройств железнодорожной автоматики и телемеханики: учеб. пособие / В. П. Молодцов, А. А. Иванов. -СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2010. - 140 с.

14. Горбунов Б. Л. Аппаратные средства диспетчерского комплекса АПК-ДК / Б. Л. Горбунов // Автоматика, связь, информатика. - 2000. - № 9. - С. 19-21.

15. Федорчук А. Е. Автоматизация технического диагностирования и мониторинга устройств ЖАТ (система АДК-СЦБ) / А. Е. Федорчук, А. А. Сепетый, В. Н. Иванченко. - М.: УМЦ ЖДТ, 2013. - 400 с.

16. Beat F. A cutting-edge PLC-based interlocking system which has been certified in accordance with CENELEC SIL4 / F. Beat, S. Sedat // DVV Media Group GmbH: Signal + Draht. - 2018. -Vol. 110, iss. 9. - P. 56-60.

17. Guo J. Future prospects on the intelligent monitoring technologies for railway signaling systems in China / J. Guo, X. Wang, Y. Zhang, Y. Yang // 6th IET Conference on Railway Condition Monitoring (RCM 2014). - Birmingham, 2014. - P. 1-5.

18. Ефанов Д. В. Интеграция систем непрерывного мониторинга и управления движением на железнодорожном транспорте / Д. В. Ефанов // Транспорт Российской Федерации. -2017. - № 4. - С. 62-65.

19. Сепетый А. А. Технология диагностирования и мониторинга устройств ЖАТ на уровне дистанций автоматики и телемеханики / А. А. Сепетый, А. Е. Федорчук // Информатизация и связь. - 2013. - № 2. - С. 71-76.

20. Мишель Ж. Программируемые контроллеры: архитектура и применение / Ж. Мишель. -М.: Машиностроение, 1986. - 176 с.

21. Анисимов И. И. Интеллектуальный транспорт: Эпоха ПЛК / И. И. Анисимов, А. Э. Кей-ян // Автоматика, связь, информатика. - 2019. - № 3. - С. 43.

22. Ефанов Д. В. Система непрерывного мониторинга устройств железнодорожной автоматики на основе программируемых логических контроллеров / Д. В. Ефанов, Р. Б. Аб-дуллаев; под ред. проф. А. И. Адилходжаева // Научные труды республиканской научно-технической конференции с участием зарубежных ученых «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (20-21 декабря 2019 г.). - Ташкент: ТашИИТ, 2019. - 371 с.

23. Банников Е. В. Использование ПЛК в промышленности / Е. В. Банников // International scientific review. - 2019. - № 3. - С. 25-28

24. Медведев А. В. Отечественные контроллеры Fastwel I / O для ответственных применений / А. В. Медведев // Автоматизация в промышленности. - 2014. - № 8. - С. 38-42.

25. Ландрини Г. Интегральные уровни безопасности в соответствии со стандартами МЭК 61508 и 61511 и анализ их связи с техническим обслуживанием / Г. Ландрини // Современные технологии автоматизации. - 2009. - № 1. - С. 72-78.

26. Nair V. EC001 "Automation of Railway Signaling Using PlC and Scada" / V. Nair, C. Nikhil.-Coimbatore, Dr. N. G. P. Institute of Technology, 2016. - P. 350-357.

27. Dhanashree A. PLC Based Fully Automated Railway System / A. Dhanashree, T. Khushabu, S. Samrudhi, S. Geeta // International Journal of Advance Engineering and Research Development. - 2017. - Vol. 4, iss. 6. - P. 487-494.

28. Saykowski R. Alister 2.0 - Programmable Logic Controllers in Railway Interlocking Systems for Regional Lines of the DB Netze AG / R. Saykowski, E. Schultz, J. Bleidiessel; ed. by N. Luttenberger, H. Peters // 17th GI / ITG Conference on Communication in Distributed Systems (KiVS'11). - 2011. - P. 205-207.

29. Langmann R. The PLC as a Smart Service in Industry 4.0 Production Systems / R. Langma nn // Applied Sciences. - 2019. - N 9, 3815. - P. 1-20. DOI: 10.3390/app9183815.

30. Crispin A. J. Programmable logic controllers and their engineering applications / A. J. Crispin. -London: McGraw-Hill, 1990. - 164 p.

31. СМ1820 М в системах автоматизации атомных станций. - URL: https://www.controlengrussia. com/programmnye-sredstva/sm1820m-v-sistemakh-avtomatizacii-atomnykh-stancii

32. Константинов А. В. Модульный ПЛК Fastwel I/O - от замысла до реализации / А. В. Константинов // Автоматизация в промышленности. - 2012. - № 8. - С. 38-42.

33. Petry J. IEC 61131-3 mit CoDeSys V3: Ein Praxisbuch für SPS-Programmierer / J. Petry. -Kempten: 3S-Smart Software-Solutions, 2011. - 839 p.

34. Локотков А. Fastwel I / O изнутри / А. Локотков // Современные технологии автоматизации. - 2007. - № 1. - С. 58-64.

35. Портной Г. Я. Датчики измерения тока и напряжения для систем автоматизации / Г. Я. Портной // Информатизация и системы управления в промышленности. - 2011. -№ 5. - С. 3-12.

36. Шариков В. А. Частотный диспетчерский контроль / В. А. Шариков, И. И. Эбель. - М.: Транспорт, 1969. - 184 с.

R. B. Abdullaev

The department of "Automation and Remote Control on the Railway",

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University, Saint Petersburg

IMPLEMENTATION OF THE SUBSYSTEM OF DIAGNOSTIC INFORMATION GATHERING IN CONTINUOUS MONITORING SYSTEMS OF RAILWAY AUTOMATION FACILITIES BASED ON PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLERS

Application of industrial programmable logic controllers was considered in the article, in order to build a system automating the process of technical diagnosis of the condition of railway automation and remote control facilities. The existing methods of technical diagnosis for similar devices as well as their deficiencies were given in the article. The technical diagnosis and continuous monitoring systems in operation used for the Russian railway automation facilities were listed.

Taking into account the considerable cost of the existing technical diagnosis and continuous monitoring systems, the elaboration of a similar system on the basis of programmable logic controllers was proposed. Basic concepts of receiving discrete and analogue data from railway automation elements were given. Some examples, termination points of modules, sensors and check points of the diagnosed elements were presented. It was demonstrated that some modules of home manufacturers do not need additional transducer-controllers to measure the parameters of elements; the above-mentioned makes the cost of the future system much cheaper. Organizational structure of the system on the basis of the controllers in question was given. The most effective positions of the controllers at railway objects were presented.

The concept of diagnostic data exchange between wayside automation devices and the electrical signal box was demonstrated. Some characteristics of jam-proof communication channels normally involving polynomial codes were stated. The ways to the solution of power supply arrangement for the modules of programmable logic controllers and sensors were listed. Basically, those are ready solutions of the existing traffic control system. Approximate costs on implementation of the system based on programmable logic controllers and the influence of implementable systems on qualitative characteristics of railway performance were given.

Technical diagnosis of automation facilities, continuous monitoring, programmable logic controllers for transport, polynomial codes in monitoring systems

DOI: 10.20295/2412-9186-2020-6-3-309-331

References

1. Theeg G. & Vlasenko S. (2020) Railway Signalling & Interlocking. 3ed Edition. Germany, Leverkusen PMC Media House GmbH Publ., 2020, 552 p.

2. Schmidt St. (2019) APS - Advanced Protection System; the low-cost introduction of ETCS Level 2/3. DVV Media Group GmbH: Signal + Draht, 2019, vol. 111, iss. 10, pp. 22-31.

3. Langschwert C. & Achleitner H. (2019) End position detector systems - safety on the right track. DVVMedia Group GmbH: Signal + Draht, 2019, vol. 111, iss. 9, pp. 50-58.

4. Kazimov G. A., Aleshin V. N., Derevyanko A. E., Zolotareva S. V., Lekuta G. F. et al

5.

6. Efanov D. V.

7. Wernet M., Brunokowski M., Witt Ph. & Meiwald T. (2019) Digital tools for relay interlocking diagnostics and condition assessment. DVV Media Group GmbH: Signal + Draht, 2019, vol. 111, iss. 11, pp. 39-45.

8. TD 3.7 - Railway Integrated Measuring and Monitoring System

9. Rail Automation. URL: https://www.mobility.siemens.com/global/en/portfolio/rail/automation. html.

10. Karevs V. (2013) Railway Automation and Telematics Systems' Monitoring and Diagnostic Methods' Research and Development. PhD Thesis. Riga, [RTU] Publ., 2013, 172 p.

11. Breido A.I. & Ovsyannikov V.A.

12. Hamadache M., Dutta S., Olaby O., Ambur R., Stewart E. & Dixon R. (2019) On the fault detection and diagnosis of railway switch and crossing systems. An overview. Applied Sciences, 2019, vol. 9, no 23, 5129, pp. 2-32. DOI: 10.3390/app9235129

13. Molodtsov V. P. & Ivanov A. A.

14. Gorbunov B. L.

15. FedorchukA. E., Sepety A. A. & Ivanchenko V.N.

16. Beat F. & Sedat S. (2018) A cutting-edge PLC-based interlocking system which has been certified in accordance with CENELEC SIL4. DVV Media Group GmbH: Signal + Draht, 2018, vol. 110, iss. 9, pp. 56-60.

17. Guo J., WangX., Zhang Y. & Yang Y. (2014) Future prospects on the intelligent monitoring technologies for railway signaling systems in China. 6th IET Conference on Railway Condition Monitoring (RCM2014). Birmingham, 2014, pp. 1-5.

18. Efanov D. V.

19. Sepety A. A. & FedorchukA. E.

20. Michel G.

21. Anisimov1.1. & Keyan A. E.

22. Efanov D. V. & Abdullaev R. B.

23. BannikovE. V.

24. Medvedev A. V.

25. Landrin G.

26. Nair V. &Nikhil C. (2016). EC001 "Automation of Railway Signaling Using PLC and Scada". Co-imbatore, Dr. N. G. P. Institute of Technology, 2016, pp. 350-357.

27. Dhanashree A., Khushabu T., Samrudhi S. & Geeta S. (2017) "PLC Based Fully Automated Railway System". International Journal of Advance Engineering and Research Development, 2017, vol. 4, iss. 6, pp. 487-494.

28. SaykowskiR., SchultzE. &Bleidiessel J. (2011) Alister 2.0 - Programmable Logic Controllers in Railway Interlocking Systems for Regional Lines of the DB Netze AG. 17th GI/ITG Conference on Communication in Distributed Systems (KiVS'11). Ed. by N. Luttenberger, H. Peters. 2011, pp. 205-207.

29. Langmann R. (2019). The PLC as a Smart Service in Industry 4.0 Production Systems. Applied Sciences, 2019, no. 9, 3815, pp. 1-20. DOI: 10.3390/app9183815

30. Crispin. A. J. (1990) Programmable logic controllers and their engineering applications. London, McGraw-Hill Publ., 1990, 164 p.

31. SM1820M v sistemakh avtomatizatsii atomnykh stantsiy [SM1820M in automation systems of atomic power stations]. URL: https://www.controlengrussia.com/programmnye-

sredstva/sm1820m-v-sistemakh-avtomatizacii-atomnykh-stancii

32. Konstantinov A. V.

33. Petry J. (2011) IEC 61131-3 mit CoDeSys V3. Ein Praxisbuch für SPS-Programmierer. Kempten, 3S-Smart Software-Solutions Publ., 2011, 839 p.

34. LokotkovA.

35. Portnoy G. Y.

36. Sharikov V. A. & Ebel 1.1.

Статья представлена к публикации членом редколлегии Д. С. Марковым Поступила в редакцию 16.04.2020, принята к публикации 12.05.2020

АБДУЛЛАЕВ Руслан Борисович — аспирант кафедры «Автоматика и телемеханика на железных дорогах» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I

e-mail: ruslan_0507@mail.ru

© Абдуллаев Р. Б., 2020