МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА ЦЕНТРАЛИЗАЦИИ С МАРШРУТНЫМИ ЗАВИСИМОСТЯМИ МПЦ-МЗ-Ф

Полезная модель относится к железнодорожной автоматике, в частности, полезная модель относится к микропроцессорной системе централизации, предназначенной для централизованного управления стрелками, светофорами и другими объектами на ж.д. станциях, перегонах, сортировочных горках и т.п. с целью организации движения поездов с высоким уровнем безопасности.
Предлагаемая система разработана под названием МПЦ-МЗ-Ф, апробирована и рекомендована к тиражированию на сети железных дорог Российской Федерации.
Управление движением поездов с высоким уровнем безопасности является одной из основных задач отрасли железнодорожного транспорта, при решении которой необходимо учитывать как многокритериальную организацию самого перевозочного процесса, так и условия технической эксплуатации подвижного состава и инфраструктуры железных дорог.
В настоящее время для организации движения поездов, маневровой работы и обеспечения безопасности движения, железнодорожныестанции, оборудованы различными системами релейной электрической централизации (ЭЦ), объектами управления и контроля которых являются:
- стрелки, электрические рельсовые цепи, светофоры и их совокупность;
- переезды, маневровые колонки или вышки;
- устройства УКСПС;
- средства оповещения работающих на путях и стрелочных переводах;
- устройства ограждения составов.
Данные системы разработаны еще в прошлом столетии и являются базовыми компонентами систем управления движением поездов.
В уровне техники широко известны системы диспетчерского контроля и централизации («Сетунь», «Диалог», «Тракт», «Юг» и др.), создаваемые на базе средств релейной электрической централизации.
Данные централизации позволяют наравне с удаленным управлением контролировать соблюдение технологии перевозочного процесса и являются информационной основой для контроля технологической дисциплины.
Ключевым элементом этого процесса является сам поезд, движение которого отслеживается как непосредственным наблюдением за ним на станциях и прилегающих к ним перегонах, так и при помощи систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи (ЖАТС).
Технологический процесс движения поездов отслеживается поездными диспетчерами дорожных центров управления перевозками. Диспетчеры отслеживают и управляют процессом перевозок на основании информации, получаемой со станций и непосредственно от машинистов (по радиосвязи) с использованием данных автоматических систем.
Управление составом и ведение поезда в целом осуществляется машинистом с использованием бортовых приборов и напольных устройств, систем управления, безопасности, навигации, диагностирования и выдачи рекомендаций по оптимальному движению поезда.
Однако до сих пор данные процессы не достаточно сбалансированы между собой и кроме этого, устройства низовой автоматики не всегда надлежащим образом связаны с системами ЖАТ верхнего уровня, обеспечивающими безопасность движения поездов (диспетчерской централизации) и информационными системами (АСУ крупной станции и т.п.), а также с одноуровневыми системами ЖАТ - автоблокировкой, полуавтоматической
блокировкой, что снижает эффективность их применения.
Данные недостатки можно отнести к известным системам управления, контроля и диагностики перевозочных процессов на железных дорогах РФ и стран СНГ. Не всегда данные устройства выполнены с функцией контроля состояния объектов, диагностики технического состояния устройств, самодиагностики аппаратуры, протоколирование работы системы.
Например, из уровня техники известна система централизованного контроля движения железнодорожного транспорта, включающая центральный высокомощный компьютер, связанный с передатчиками, установленными на поездах, с которого непосредственно посылаются инструкции составам, а от них в базу данных сведения о скорости, географических данных местоположения составов. Этот же компьютер управляет перемещением всех составов на путях, посылая инструкции каждому составу индивидуально об уменьшении скорости или об остановке (GB 2353127 А, 14.02.2001). Но наличие одного компьютера делает такую систему уязвимой и не надежной в эксплуатации, что снижает общую безопасность движения. Кроме этого, данная система не учитывает данные напольного оборудования, что также приводит к снижению эффективности ее применения и безопасности.
Известна также централизованная диспетчерская система, состоящая из центрального пункта управления, связанного с автоматизированным рабочим местом диспетчера (АРМ ДСП) и распределенными контролируемыми пунктами (RU 2240245 С1, 07.02.2003).
Центральный пункт управления состоит из компьютера и АРМ ДСП и предназначен для приема, анализа и отображения в реальном масштабе времени данных об объектах телесигнализации, оперативного отображения, архивирования и создания копий графика исполненного движения, автоматизированного формирования приложения к нему за предыдущие и текущие сутки. На центральном пункте управления формируется и отображается нормативный и исполненный график движения с трансляцией, индикацией и изменением номеров поездов, а также автоматическое присвоение системного номера. Кроме того, производится корректировка движения поездов и масштабирование поля графика исполненного движения поездов, автоматически рассчитываются, отображаются и сравниваются текущие показатели графика с плановыми: участковая и техническая скорости, коэффициент участковой скорости, средний вес и средняя длина грузовых поездов. Поездному диспетчеру представляется оперативно-справочная информация о подходах к станциям участка, разложении поездов, обмене по стыкам, подходах местных вагонов по станциям, брошенных поездах, локомотивах грузового и пассажирского движения, а также показатели работы станции по грузовой и поездной работе. Кроме того, поездному диспетчеру отображается нормативно-справочная информация (продольный профиль, технико-распорядительные акты станций, таблицы команд телеуправления, правила безопасности и порядок ликвидации аварийных ситуаций), протоколируются технологические сообщения, вводятся и отображаются пометки диспетчера на графике исполненного движения. Распределенные контролируемые пункты состоят из основного и резервного комплекта и модуля диагностики, которые связаны между собой. Каждый из комплектов состоит из модуля управления и модуля связи. Модуль управления содержит компьютер, запоминающие устройства, устройства индикации, устройство сброса, устройство отображения, буфер ввода-вывода, устройство ввода, устройство согласования с локальной сетью, датчик температуры, счетчик времени, устройство преобразования интерфейса, устройство управления упомянутым комплектом и преобразователь напряжения Функции распределенных контролируемых пунктов заключаются в сборе и передаче на центральный пункт управления данных о состоянии технологических объектов контроля в спорадическом, циклическом режимах или по запросу, а также приеме, анализе передаче на реализацию команд телеуправления, в том числе "ответственных". Распределенные контролируемые пункты обеспечивают программное выполнение и контроль реализации логики маршрутного набора, не требующее дополнительных схемных решений. Кроме того,
он формирует квитирующие сообщения, контролирует техническое состояние устройств СЦБ, диагностирует аппаратные средства системы и передает эту информацию на центральный пост управления.
Данная система сложна и плохо автоматизирована - содержит много компьютеров и блоков памяти, выход из строя хотя бы одного может привести к резкому снижению эффективности технологического процесса управления движением поездов.
Система практически не имеет взаимосвязи с напольными средствами железнодорожной автоматики, что снижает автоматизацию процесса перевозок и безопасность движения.
Задачей, на решение которой направлено данная полезная модель, является создание системы микропроцессорной централизации с маршрутными зависимостями, обеспечивающей управление, контроль и мониторинг процесса движения поездов с высокой степенью его безопасности.
Техническим результатом, достигаемым при реализации предложенной микропроцессорной системы централизации с маршрутными зависимостями МПЦ-МЗ-Ф, является выполнение функций централизации и блокировки стрелок и сигналов, обеспечение отображения состояния объектов контроля и управления низовой и локальной автоматики, формирования задач по управлению этими объектами в реальном масштабе времени при обеспечении автоматической взаимосвязи устройств низовой и локальной автоматики с верхними уровнями управления - диспетчерами станции и инженеров СЦБ, что дает им возможность непосредственного управления и контроля объектами низовой и локальной автоматики, при упрощении системы, за счет использования стандартных средств, уменьшения числа ЭВМ, принимающих решения при реальном движении поездов и маневровой работе, при выполнении ее с переменным составом функциональных элементов, необходимых для создания требуемых конфигураций каналов ввода-вывода и реализации конкретных функций и задач, что значительно упрощает ее установку, наладку, адаптацию ко всем напольным и постовым устройствам и эксплуатацию без изменений управляемых объектов ЖАТ, что в целом позволяет использовать систему на железнодорожных станциях магистрального и промышленного транспорта любой конфигурации с высокой пропускной способностью станции и при выполнении необходимых условий безопасности движения.
К функциям централизации, выполняемым предложенной системой, относятся: дистанционное централизованное управление стрелками, светофорами и другими объектами напольного оборудования на ж.д. станциях с целью организации движения поездов, а также контроль состояния технических средств, участвующих в процессе осуществления и управления движения поездов, выдача дежурному по станции (ДСП) оперативной, архивной и нормативно-справочной информации, а также формирование протоколов работы устройств (событий и состояний) и действий персонала, контроля состояния объектов железнодорожной автоматики и управления состоянием объектов, диагностики технического состояния устройств, самодиагностики аппаратуры, протоколирование работы системы, контроля и управления системой в диалоговом режиме, что значительно улучшает эксплуатационные показатели работы участков железных дорог, повышает безопасность движения поездов.
Применение микропроцессорной системы централизации согласно??? МПЦ-МЗ-Ф позволяет также организовать удаленное управление смежными станциями. Кроме того, в нее заложена возможность использования счетчиков осей для контроля свободности/занятости путей, участков путей и стрелочно-путевых участков.
Микропроцессорная система централизации с маршрутными зависимостями МПЦ-МЗ-Ф может строиться на базе известных и используемых на железных дорогах управляющих компьютеров, в том числе иностранного производства, что в совокупности с отечественным прикладным программным обеспечением, позволяет решать задачи обработки поездных, маневровых маршрутов со следующими технико-экономическими показателями:
1) сокращение материало- и энергоемкости станционной системы электрической централизации стрелок и сигналов;
2) сокращение капитальных вложений при строительстве и реконструкции ЭЦ за счет:
- уменьшения необходимых площадей;
- сокращение сроков и трудоемкости проектирования, объемов монтажа и пусконаладочных работ;
3) сокращение эксплуатационных расходов на содержание устройств и площадей;
4) сокращение потерь в перевозочном процессе за счет расширения функциональных возможностей;
5) повышения культуры труда оперативного и обслуживающего персонала.
Указанные технические результаты достигаются микропроцессорной системой централизации МПЦ-МЗ-Ф, характеризующейся выполнением ее с переменным составом функциональных элементов, состоящим из:
- управляющего вычислительного компьютера централизации (УВК), который состоит из, по меньшей мере, двух (основного и резервированного) процессорных модулей (каналов) с блоками питания и коммутации для каждого;
- устройств ввода-вывода (УВВ) для сопряжения с устройствами управления и контроля объектами;
- релейно-контактных устройств (РКУ) управления и контроля объектов локальной автоматики
- бесконтактных устройств (БКУ) управления объектов низовой автоматики - стрелками и светофорами;
- комплекта органов управления и контроля дежурного по станции (ДСП), который образует рабочее место - АРМ ДСП;
- постовых устройств питания (ПУП);
- напольного оборудования (НО) объектов низовой и локальной автоматики (стрелок, светофоров, рельсовых цепей, переездов и т.д.).
Весь комплекс устройств системы, кроме напольного оборудования, располагается на посту ЭЦ.
Управляющий вычислительный комплекс УВК, состоит из, по меньшей мере, двух микропроцессорных устройств - основного и резервного, обеспечивающих обработку логических зависимостей централизации при соблюдении требований безопасности движения поездов При этом управляющий вычислительный комплекс так же обеспечивает контроль состояния и управление стрелками, светофорами и другими объектами низовой автоматики станции и прилегающих перегонов с соблюдением требований безопасности движения поездов в соответствии с принципами, принятыми в существующих устройствах релейной ЭЦ.
Пространственная структура микропроцессорной централизации МПЦ-МЗ-Ф, характеризуется построением в виде трехуровневой иерархической структуры,
верхний уровень, представляет собой, по меньшей мере, одно автоматизированное рабочее место дежурного по станции, содержащее средства ввода команд для управления объектами железнодорожной автоматики и телемеханики,,, диагностики состояния объектов железнодорожной автоматики и телемеханики и обеспечивающее отображение состояния объектов контроля и управления, а также формирующее задачи по управлению объектами железнодорожной автоматики и телемеханики в реальном масштабе времени, и
соединенный с уровнем обработки информации, представляющим собой, по меньшей мере, один управляющий вычислительный комплекс, состоящий из резервированного микропроцессорного ЭВМ с блоком питания и коммутации, обеспечивающий выполнение функций централизации с маршрутными зависимостями по состоянию объектов железнодорожной автоматики и телемеханики и/или управление стрелками, светофорами и другими объектами железнодорожной автоматики и телемеханики,
и который соединен с нижним уровнем управления и контроля объектами железнодорожной автоматики и телемеханики, состоящим из релейно-контактных устройств и бесконтактных устройств управления и контроля.
На Фиг.1 изображена общая схема иерархической структуры микропроцессорной системы централизации;
Архитектура технических средств системы микропроцессорной системы централизации с маршрутными зависимостями МПЦ-МЗ-Ф, представленная на Фиг.1, представляет собой комплекс составных частей, позволяющий создавать любые конфигурации системы в соответствии с конкретным проектом станции с последующей переконфигурацией при изменении путевого развития.
Время представления информации об изменениях состояния контролируемых объектов (от момента времени возникновения этого изменения до момента времени появления соответствующего отображения на экране монитора) не превышает 2 с.
Верхний уровень информационного обеспечения содержит, по меньшей мере, одно автоматизированное рабочее место дежурного по станции - диспетчера (АРМ ДСП) и, в случае необходимости, инженера СЦБ (АРМ ШН), серверы баз данных и приложений с функциями отображения процесса движения поездов, диагностики состояния объектов и нормативно-справочной информации, а также дополнительные устройства сопряжения с информационными системами различного назначения. Диалоговая подсистема - должна обеспечивать полное отображение информации и взаимодействие ДСП и инженеров СЦБ с системой, а также связь с вышестоящими системами.
Автоматизированные рабочие места дежурного по станции (АРМ ДСП) и инженера СЦБ (АРМ ШН) обеспечивают отображение состояния объектов контроля и управления, позволяют вести сбор и обработку диагностической информации о техническом состоянии устройств автоматики на станции, прогнозировать появление отказов и оптимизировать процесс технического обслуживания, помимо этого АРМ ДСП формирует задачи по управлению объектами в диалоговом режиме в реальном масштабе времени (без проверки зависимостей и условий безопасности) а также ведение и чтение архива событий.
Ввод команд управления на всех АРМ ДСП осуществляется с помощью стандартных средств вычислительной техники (алфавитно-цифровой клавиатуры, манипуляторов типа «мышь»).
Контроль состояния объектов на станции и прилегающих перегонах и поездной ситуации осуществляется по изображению на мониторах.
Ввод команд управления производится с исключением несанкционированного доступа.
В системных блоках АРМ ДСП установлены платы портов PROFIBUS предназначенные для передачи информации по каналам связи PROFIBUS.
Связь с системами удаленного мониторинга организована через модемы с использованием TCP/IP.
АРМ ДСП производит обмен информацией (передача команд ТУ или запрос и получение сигналов ТС) с управляющим вычислительным компьютером (УВК), например, по каналам связи PROFIBUS.
Допустимое время реакции системы на воздействия на устройства ввода информации АРМ (клавиатура, манипулятор) не превышает 0,5 с.
Общее время передачи команд управления от АРМ ДСП до исполнительных устройств не превышает 1 с.
Для повышения надежности работы системы можно использовать дополнительные АРМ ДСП. Тогда управление производится с одного из АРМ ДСП, находящегося в режиме управления, другой в этом случае находится в режиме контроля. Связь основного и резервного комплектов АРМ ДСП с другими потребителями (удаленный мониторинг, АСОУП, ДЦ) также осуществляется по каналам связи TCP/IP. Коммутатор Ethernet
(EDG-6528 фирмы «ADVANTECH») служит для организации Локальной вычислительной сети Ethernet.
Команды с АРМ ДСП поступают и обрабатываются на уровне логической обработки информации, содержащим управляющий вычислительный комплекс (УВК), построенный на базе управляющего компьютера, который обеспечивает выполнение функций по централизации и блокировке стрелок и сигналов с целью обеспечения высокой пропускной способности станции при необходимых условиях безопасности.
УВК представляет комплекс процессорных устройств, обеспечивающий установку, замыкание и размыкание маршрутов на станции при соблюдении требований безопасности движения поездов путем проверки выполнения требуемых взаимозависимостей программно процессорными средствами.
При этом за базу управляющего компьютера может быть взят любой компьютер существующих централизации, например на базе элементов управляющего компьютера (SIMIS - ЕСС) системы централизации (SIMIS-W) фирмы SIEMENS.
УВК располагается на посту электрической централизации в релейном или отдельном помещении.
Аппаратная часть УВК размещается в компьютерных шкафах и может включать следующие элементы и составные части:
- рама модулей компьютера (например, SIMIS - ЕСС);
- источники питания внешних цепей интерфейсных модулей;
- устройства защиты от перенапряжений;
- модуль связи;
- устройства контроля перенапряжений;
- коммутационные соединения.
Шкаф представляет собой металлический каркас со съемными боковыми стенками выполненные из листовой стали. На переднюю и заднюю стороны устанавливаются двери из листового метала, передняя дверь компьютерного шкафа оборудована прозрачным смотровым окном.
В компьютерном шкафу устанавливаются рама модулей компьютера, источники питания внешних цепей интерфейсных модулей -, устройства защиты от перенапряжений, модуль связи, коммутационные клеммы, элементы крепления коммутационных кабелей.
Процессорное ядро управляющего компьютера состоит из, по меньшей мере, двух, а наиболее предпочтительно - трех идентичных модулей и имеет структуру два из трех.
Модули процессорного ядра выполняют обработку данных по алгоритмам технологического (логика централизации) и системного программного обеспечения.
На фронтовой панели модуля процессорного ядра располагаются органы локального управления, коммутации и индикации.
Структура 2 из 3 представляет собой три независимых идентичных по конструкции и программному обеспечению процессорных модуля, которые синхронизируются аппаратно-программным способом.
В каждый процессорный модуль вводятся идентичные данные.
Результаты обработки (вычислений) в процессорных модулях сравниваются в трех независимых устройствах вывода и сравнения, и принимается решение о выдачи команды на устройства управления.
Проверка каналов проводится циклически. Максимальное время одного цикла не должно превышать 30 минут. При превышении времени цикла проверки процессорные модули переводятся в безопасный режим.
Данная структура процессорного ядра позволяет сохранять полнофункциональную работоспособность управляющего компьютера даже при выходе из строя одного процессорного модуля, а также выявить и отключить неисправный процессорный модуль по результатам вычислений в процессе их сравнения.
Управляющие воздействия данной подсистемы осуществляются через подсистему управления и контроля объектами низовой и локальной автоматики - уровень безопасного интерфейса ввода/вывода, выполненного в виде устройства ввода/вывода, которое обеспечивает непосредственное управление и контроль объектами низовой и локальной автоматики.
Устройство ввода/вывода релейно-контактного интерфейса выполнено в виде модуля ввода/вывода INOM, имеющего два независимых канала ввода-вывода по 8 входов и 8 выходов в каждом и может управлять 8×2=16 и контролировать 8×2=16 объектов. Каждый канал управляет интерфейсными или бесконтактными реле.
Питание реле и контрольных цепей осуществляется по 2 независимым защищенным каналам питания напряжением 24 В, в обратный полюс цепи питания обмоток реле подается положительный потенциал (ПЕх-х), в управляющий отрицательный (МЕх-х).
Контрольные цепи питаются отрицательным полюсом (МЕх-х).
Для получения достоверной информации о состоянии объектов, которые непосредственно влияют на безопасность движения поездов и управления ими применена двухканальная антивалентная схема ввода данных (двухканальный, защищенный вход).
Принцип антивалентности заключается в том, что при считывании информации с входов модуля INOM анализируется состояние обоих входов двуканального входа.
Входы должны находиться в противофазном состоянии, в противном случае вход считается не исправным.
Вход принимает значение 1, когда к нему подключен минусовой полюс только своего источника контрольного напряжения, подключение других источников напряжения выявляется и считается ошибкой, которая приводит к защитному отключению модуля INOM. Вход модуля INOM, который активен при замыкании фронтового контакта реле, называется прямым. Вход модуля INOM, который активен при замыкании тылового контакта реле, называется инверсным.
Считывание состояния контактов реле производится циклически с периодом 100 миллисекунд (0,1 секунды). Состояние входа считается изменившимся, если в течение двух циклов (200 мС) считывается одинаковое состояние. Если в течение четырех циклов (400 мС) считывается разное состояние входа, то состояние входа передается равным 0.
При двухканальном управлении команда воспринимается только при одновременной работе двух интерфейсных реле, которые управляются от разных каналов модуля ввода-вывода INOM. В качестве Интерфейсных реле применяются реле типа Д3-2700, РЭЛ, С2, НМШ. Управляющее воздействие передается через замкнутые фронтовые контакты интерфейсных реле. Интерфейсное реле управляется от командного выхода модуля INOM.
Для электропитания процессорных модулей управляющего компьютера применяются источники питания постоянного тока АС 230 V/DC 5 V (SV 230/5) напряжением 5 В. Каждый процессорный модуль питается от индивидуального источника питания.
Источники питания запитываютея от резервированного источника переменного тока напряжением 220 В.
МПЦ-МЗ-Ф содержит программное обеспечение, содержащее данные о путевом развитии станции, алгоритмы и программы, реализующие функции системы. Технические алгоритмы и процедуры, составляющие математическое обеспечение системы, не зависят от путевого развития станции. Привязка математического обеспечения к конкретной станции выполняется в процессе проектирования.
Технологическое ПО - это обектно ориентированное ПО.
Обмен данными в системе и вне ее происходит посредством технических средств АРМ, в состав которых могут входить:
- дублированный АРМ дежурного по станции;
- АРМ инженера СЦБ.
Каждый из АРМов или только один из них может содержать архивный сервер приложений и баз данных, предназначенный для контроля за технологическим процессом на
станции;
Обмен информацией с УВК может осуществляться через сеть ProfiBus (со стороны АРМа) через коммуникационный адаптер СР5613 или CIF50. Для связи с драйвером ProfiBus М-модуля УВК, входящим в состав операционной системы УВК - СРМ32, используется «уровень 2 ISO - Data Link Layer» интерфейса ProfiBus (FDL). Для защиты информации от искажений и поддержания целостности структур данных в случае непредвиденных помех используется подсчет контрольной суммы по алгоритму MD5 и учет порядковых номеров всех входящих и исходящих пакетов. Для работы с коммуникационным модулем СР5613 или CIF50 и для настройки параметров соединения используется драйвер ProfiBus SimaticNET.
Буфер является промежуточным хранилищем информации между ProfiBus и TCP-IP частями, и блокируется на время операций чтения или записи.
TCP-IP сервер осуществляет обмен с TCP клиентами. При этом реализуется дополнительная защита от искажений информации за счет специфического построения заголовков информационных пакетов.
Микропроцессорная система централизации с маршрутными зависимостями МПЦ-МЗ-Ф имеет возможность организации взаимодействия с соответствующими программно-аппаратными средствами ЖАТ верхнего уровня, обеспечивающими безопасность движения поездов (диспетчерской централизации) информационными системами (АСУ крупной станции и т.п.), а также с одноуровневыми СЖАТ - автоблокировкой, полуавтоматической блокировкой. Системы не отвечающие требованиям информационной безопасности должны подключаться через устройства информационной защиты, отвечающие требованиям обеспечения безопасности движения поездов.
В маршрутном режиме управления микропроцессорная система централизации обеспечивает установку поездных и маневровых маршрутов, открытие светофоров, ограждающего данный маршрут, при обеспечении всех условий безопасности путем проверки необходимых взаимозависимостей и взаимного замыкания стрелок и светофоров.
Задание основного маршрута обеспечивается путем указания на АРМ ДСП начальной и конечной точек маршрута.
В режиме раздельного управления система обеспечивает индивидуальное управление объектами (стрелки, светофоры и т.д.) с проверкой всех зависимостей, относящихся к данному объекту. Режим раздельного управления применяется при наличии ограничений, связанных с профилактическими и ремонтными работами: выключении стрелок и участков из зависимостей, отключении стрелок от управления, закрытии путей и участков для движения и др.
Программное обеспечение МПЦ-МЗ-Ф содержит программу управляющего вычислительного компьютера, состоящую из двух модулей: главный модуль и файл конфигурации.
Файл конфигурации предназначен для описания конфигурации устройств ввода-вывода. Главный модуль обеспечивает интерфейс между драйверами модулей ввода-вывода и прикладной программой. В момент старта она считывает файл конфигурации, из которого получает перечень элементов ввода-вывода.
Общение между прикладной программой и драйвером ввода-вывода сводится к обмену сообщениями.