СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Система управления и обеспечения безопасности движения электроподвижного состава относится к области управляющих систем и может быть использована для автоматизации управления и обеспечения безопасности движения пассажирских электропоездов, в частности метрополитена. Областью применения системы являются вновь строящиеся и эксплуатируемые электропоезда метрополитена.
Известны комплексное локомотивное устройство безопасности унифицированное по патенту RU №2248899 (B61L25/04) и устройство контроля за управлением локомотивом и бдительностью машиниста по патенту RU №2262459 (B61L25/04), представляющие собой открытые системы реального времени с модульной архитектурой. Блоки указанных систем соединены кабелем системного CAN-интерфейса, который позволяет бесконфликтно увеличивать или уменьшать, в необходимых пределах, количество модулей; все модули являются равноправными с точки зрения доступа к локальной сети; ответственные блоки имеют двухканальное исполнение.
Оба устройства (по патенту №2262459 и по патенту №2248899) осуществляют контроль непревышения допустимой скорости движения поезда, расшифровку сигналов АЛСН и координатную привязку через спутниковую навигационную систему.
Основными недостатками данных устройств являются отсутствие функциональной возможности управления тягой и служебным торможением, а также недостаточная точность определения местонахождения поезда, выполняемая с помощью спутниковой навигационной системы GPS.
Известна система управления движением пассажирского электровоза по патенту RU 2273567 (B60L 15/40, B61L 3/20), которая содержит датчик пути и скорости, блок определения скорости, генератор временных меток, блок определения текущего времени, два датчика давления, установленный на тормозном цилиндре пульт управления, блок управления режимом тяги, блок управления режимом торможения, вычислительный блок, блок памяти, тактовый генератор, контроллер, два дешифратора, блок управления, предназначенный для задания режимов работы и коррекции параметров управления, три блока сопряжения, блок индикации и блок речевого информатора, блок измерения напряжения в контактной сети и токов на тяговых двигателях.
Система осуществляет расчет энергооптимального режима движения поезда по пути следования, выработку сигналов на управление тягой локомотива и торможением поезда, чем обеспечиваются реализация установленной скорости движения исходя из условий выполнения расписания при минимизации энергозатрат на тяговые нужды, установленной скорости подъезда к местам ограничения скорости, светофорам, требующим снижения скорости, а также остановка поезда служебным торможением перед светофором с запрещающим сигналом.
Однако система не обеспечивает требуемый уровень безопасности и точность прицельного торможения.
Известно устройство корректировки линейной координаты нахождения поезда по патенту RU 2248291 (B61L25/00).
Устройство содержит подключенный к вычислительному блоку датчик пути и скорости, установленный на оси колесной пары локомотива или головного вагона электропоезда и связанный с этой осью поводковой муфтой. Имеются две последовательно соединенные приемные катушки, подключенные свободными выводами к входу локомотивного приемника. Выход приемника через первый блок сопряжения подключен к вычислительному блоку. Последний выполнен с возможностью вычисления, по частоте повторения импульсов, скорости движения поезда, а по их количеству - величины пройденного пути с момента начала движения поезда, и с возможностью определения линейной координаты границы проследуемого блок-участка пути на основании анализа поступающего с выхода приемника кодового импульсного сигнала системы автоматической локомотивной непрерывной сигнализации, и выдачи сигнала о проследовании границы блок-участка и данных о внесении необходимой поправки на вычисленную величину пройденного пути. На буксовом узле локомотива или головного вагона установлен датчик ускорений, срабатывающий при проследовании колесной пары через стык. Датчик ускорений через второй блок сопряжения подключен к вычислительному блоку, осуществляющему по сигналу, поступившему от датчика ускорений, уточнение линейной координаты границы преследуемого блок-участка.
Изобретение позволяет повысить точность измерения линейной координаты нахождения поезда. Информация о моменте проследования границы двух смежных блок-участков позволяет осуществить поправку к непрерывно вычисляемой величине пройденного пути и тем самым существенно повысить точность определения местонахождения поезда. За счет такой периодической коррекции ошибка измерения величины пройденного пути (накапливающаяся до 20-100 метров и более на 100 км пути) существенно сокращается - до ошибки измерения длины одного блок-участка, то есть практически до 5-10 метров.
Такая ошибка измерения не удовлетворяет требованиям метрополитена.
Аппаратура поездов метрополитена должна обеспечивать движение поезда с заданной скоростью на каждом участке пути, остановку поезда на станции с необходимой точностью (до 45 см), особенно на платформах закрытого типа, а также открытие и закрытие дверей на станции с заданной стороны (правой или левой). Кроме того, вышеназванные устройства не обеспечивают необходимую степень безопасности в условиях метрополитена.
Наиболее близким аналогом по технической сущности, взятым в качестве прототипа полезной модели, является система движением электроподвижного состава по патенту RU 2326016 (B61L27/00). Система содержит размещенные в головном и хвостовом вагонах датчики скорости и пути, датчики коррекции пути, катушки индуктивного канала, антенну с блоком радиосвязи, блок терминала машиниста, блок управления электропневмоклапаном, бортовые компьютеры, блоки релейной коммутации, последовательные интерфейсы, а также блоки релейной коммутации вагонов, блоки вагонных контроллеров и контроллеры двигателей вагонов.
Система управления непрерывно измеряет фактическую скорость поезда и сравнивает ее с допустимой. Если фактическая скорость не превышает допустимую, то поездные устройства не оказывают влияния на процесс управления поездом. При исправной системе управления и фактической скорости меньше допустимой разрешается движение поезда в режиме, определяемом машинистом. В случае превышения допустимой скорости выдается команда на торможение с предварительным отключением тяговых двигателей с ходового режима и сигнализацией об их автоматическом отключении и включении торможения. Наличие в системе датчиков коррекции пути позволяет осуществлять коррекцию значений координат местоположения поезда на перегоне и уточнение значений диаметра бандажа колесной пары, связанной с датчиками скорости. Система обеспечивает автоматическое управление тягой, торможением и прицельным торможением при прибытии на станцию.
Включение в контур управления системы интеллектуальных асинхронных тяговых приводов, снабженных средствами контроля и самодиагностики, обеспечивает проверку достоверности команд управления и формирование временной диаграммы работы, что повышает уровень безопасности системы.
Данная система не позволяет обеспечить необходимый уровень безопасности в случае использования привода без функций контроля и диагностики.
Предлагаемая система управления и обеспечения безопасности движения электроподвижного состава устраняет эти недостатки.
Техническим результатом, на достижение которого направлено создание данной полезной модели, является расширение функциональных возможностей, повышение эффективности контроля и уровня безопасности железнодорожных перевозок.
Решение указанной задачи достигается тем, что в систему, содержащую блок связи, с которым соединены два датчика скорости и пути, две катушки индуктивного канала, два датчика коррекции пути, при этом последовательный системный CAN - интерфейс соединен с входами-выходами блока связи, входами-выходами блока радиосвязи с антенной, входами-выходами блока терминала машиниста, а также соединен с входами-выходами первого и второго бортовых компьютеров,
первыми группами выходов оба бортовых компьютера связаны с блоком управления элекропневмоклапаном, вторая группа выходов первого бортового компьютера является первой группой входов второго бортового компьютера, вторая группа выходов которого является первой группой входов первого бортового компьютера, третья группа выходов которого связана с первой группой входов блока релейной коммутации, вторая группа входов которого связана с третьей группой выходов второго бортового компьютера, а первая группа выходов блока релейной коммутации связана со вторыми группами входов первого и второго бортовых компьютеров, дополнительно введены третий и четвертый бортовые компьютеры, которые своими входами-выходами соединены с CAN - интерфейсом, а также дополнительные связи, при этом, вторая группа выходов блока релейной коммутации связана с группой проводов схемы управления поездом, группа выходов которой соединена с третьей группой входов блока релейной коммутации, четвертая группа входов которого связана с группой проводов от органов управления машиниста;
причем блок связи содержит, в частности, два модуля внешних устройств, причем с первым модулем внешних устройств связаны первые датчик скорости и пути, катушка индуктивного канала, датчик коррекции пути, а со вторым модулем внешних устройств связаны вторые датчик скорости и пути, катушка индуктивного канала, датчик коррекции пути, при этом оба модуля внешних устройств соединены своими входами-выходами с группой входов-выходов блока связи, а выходами каждый модуль внешних устройств связан со входами первого и второго датчиков коррекции пути соответственно;
причем блок релейной коммутации может быть выполнен в виде блока, включающего модуль управления режимом тяги, модуль управления режимом торможения, модуль управления дверьми и блок модулей защиты, при этом все первые группы входов всех модулей управления связаны с третьей группой выходов первого бортового компьютера, а все вторые группы входов всех модулей управления связаны с третьей группой выходов второго бортового компьютера, причем первые группы выходов всех модулей управления связаны с группой проводов схемы управления поездом, а вторые группы выходов связаны с первой группой входов блока модулей защиты, вторая группа входов которого соединена с группой проводов схемы управления поездом, а третья группа входов блока модулей защиты соединена с группой проводов от органов управления машиниста, при этом группа выходов блока модулей защиты соединена со вторыми группами входов первого и второго бортовых компьютеров.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
фиг.1 - структурная схема системы управления и обеспечения безопасности движения электроподвижного состава (далее система управления);
фиг.2 - структурная схема блока связи;
фиг.3 - структурная схема блока релейной коммутации.
На фиг.1 представлены:
блок 1 связи, с которым соединены два датчика 2, 5 скорости и пути, две катушки 3, 6 индуктивного канала, два датчика 4, 7 коррекции пути, при этом последовательный системный CAN - интерфейс 8 соединен с входами-выходами блока 1 связи, входами-выходами блока 9 радиосвязи с антенной 10, входами-выходами блока 11 терминала машиниста, а также соединен с входами-выходами первого и второго бортовых компьютеров 12, 13, первыми группами выходов оба бортовых компьютера 12, 13 связаны с блоком управления 14 элекропневмоклапаном (ЭПК) 15, вторая группа выходов первого бортового компьютера 12 является первой группой входов второго бортового компьютера 13, вторая группа выходов которого является первой группой входов первого бортового компьютера 12, третья группа выходов которого связана с первой группой входов блока 16 релейной коммутации, вторая группа входов которого связана с третьей группой выходов второго бортового компьютера 3; первая группа выходов блока 16 релейной коммутации связана со вторыми группами входов первого и второго бортовых компьютеров 12, 13, третий и четвертый бортовые компьютеры 17, 18, которые своими входами-выходами соединены с CAN-интерфейсом 8, при этом, вторая группа выходов блока 16 релейной коммутации связана с группой 19 проводов схемы управления поездом (СУП), группа выходов которой соединена с третьей группой входов блока 16 релейной коммутации, четвертая группа входов которого связана с группой проводов от органов 20 управления машиниста.
На фиг.2 представлены: блок 1 связи, который содержит два модуля 21, 22 внешних устройств; с первым модулем 21 внешних устройств соединены первые датчик 2 скорости и пути, катушка 3 индуктивного канала, датчик 4 коррекции пути, а со вторым модулем 22 внешних устройств соединены вторые датчик 5 скорости и пути, катушка 6 индуктивного канала, датчик 7 коррекции пути, при этом оба модуля 21, 22 внешних устройств соединены своими входами-выходами с группой входов-выходов блока 1 связи, а выходами каждый модуль 21 и 22 внешних устройств связан со входами первого и второго датчиков 4 и 7 коррекции пути соответственно.
На фиг.3 представлены: блок 16 релейной коммутации, который содержит модуль 23 управления режимом тяги, модуль 24 управления режимом торможения, модуль 25 управления дверьми и блок 26 модулей защиты, при этом все первые группы входов модулей 23, 24, 25 управления связаны с третьей группой выходов первого бортового компьютера 12, а все вторые группы входов всех модулей 23, 24, 25 управления связаны с третьей группой выходов второго бортового компьютера 13, причем первые группы выходов модулей 23, 24, 25 управления связаны с группой 19 проводов схемы управления поезда (СУП), а вторые группы выходов модулей 23, 24, 25 управления связаны с первой группой входов блока 26 модулей защиты, вторая группа входов которого соединена с группой 19 проводов СУП, а третья группа входов блока 26 модулей защиты соединена с группой проводов от органов 20 управления машиниста, при этом группа выходов блока модулей 26 защиты соединена со вторыми группами входов первого и второго бортовых компьютеров 12, 13.
Электроподвижной состав комплектуется двумя системами управления, одна устанавливается в головном, а вторая - в хвостовом вагонах.
С блока 11 терминала машиниста, который включает блок индикации (дисплей) с процессором и клавиатурой, машинист осуществляет ввод исходных данных, выбор режима управления движением поезда, осуществляет вызов на индикацию любой необходимой информации.
Активизированная машинистом система управления обеспечивает следующие режимы ведения поезда: «контроль скорости» - КС, «автоведение» - АВ, «ограничение скорости» - ОС. С помощью блока 11 терминала машиниста, в режиме АВ машинист контролирует параметры движения и технического состояния системы, а также процесс автоматического управления тягой и торможением, прицельным торможением при подъезде к станции и открытием-закрытием дверей. В любом из режимов машинист может вмешаться в процесс управления поездом.
Реализацию заданных режимов ведения поезда осуществляют бортовые компьютеры 17, 18, которые параллельно и независимо вырабатывают команды управления по результатам анализа и обработки оперативной информации, получаемой от датчиков 2, 5 скорости и пути (о фактической скорости, пройденном пути и направлении движения поезда), от катушек 3, 6 индуктивного канала (о допустимой скорости, формируемой в результате декодирования сигналов рельсовых цепей), блока 9 радиосвязи (информация от станции), блока 11 терминала машиниста. При этом с помощью датчиков 4, 7 коррекции пути обеспечивается коррекция значений координат местоположения поезда на перегоне и уточнение значений диаметра бандажа колесной пары, связанной с датчиками 2, 5 скорости и пути. Причем блок 1 связи содержит, в частности, два модуля 21, 22 внешних устройств, что обеспечивает два независимых канала приема и обработки информации. Выработка управляющих команд осуществляется с учетом информации, получаемой по радиоканалу, и из базы данных, хранимой в памяти бортовых компьютеров 17, 18; это информация о параметрах линий, стоянок (станций, тупиков, депо), перегонов с учетом плана и профиля участков движения, скоростных характеристик движения, мест расположения рефлекторов, координат отключения и подключения тяги для каждого перегона с учетом минимизации расхода энергии на тягу. В процессе движения бортовые компьютеры 17, 18 производят непрерывный контроль величины фактической скорости движения поезда и при превышении ее величины над величиной допустимой скорости выдают команды на торможение.
Заданные режимы ведения поезда обеспечиваются формированием команд управления тягой и торможением, а также команд управления дверьми, поступающих от двух бортовых компьютеров 17, 18 в бортовые компьютеры 12 и 13, каждый из которых производит их сравнение, проверку на достоверность и допустимость, а также осуществляет логический контроль и контроль на соответствие временной диаграмме. В случае отрицательного результата и невозможности формирования команды управления, полученной от бортовых компьютеров 17 и 18 в течение заданного времени, происходит формирование команд на группы 19 проводов, обеспечивающих «защитное» состояние СУП, и выдача команды в блок 14 управления для срабатывания ЭПК 15.
Схемотехническая реализация блока 14 управления ЭПК 15 основана на «безопасном» принципе, заключающемся в том, что при любом нарушении соответствия сигналов, формируемых первым и вторым бортовыми компьютерами 12, 13, схема переходит в «безопасное» (выключенное) состояние, что переводит выходной усилитель в выключенное состояние - снимается питание с ЭПК 15 поезда, и состав переводится в режим торможения. В блоке 14 управления ЭПК 15 сигнал преобразовывается в сигнал постоянного напряжения и поступает на ЭПК 15.
При положительном результате контроля бортовые компьютеры 12, 13 осуществляют формирование (преобразование) команд управления в команды, соответствующие СУП серии электропоезда, к которой подключена система управления. Команды поступают на входы блока 16 релейной коммутации, обеспечивающего гальваническую развязку группы 19 проводов СУП. Также блок 16 релейной коммутации обеспечивает прием входной дискретной информации, ее гальваническую развязку и согласование уровней сигналов от группы 19 проводов СУП и от органов 20 управления машиниста.
Блок 16 релейной коммутации может быть выполнен на базе модулей 23,24,25 и 26.
В зависимости от назначения выданных команд срабатывают ключи одного из модулей 23, 24, 25 управления (каждый бортовой компьютер 12, 13 задействует определенные ключи).
Модуль 23 управления режимом тяги осуществляет прием на первую и вторую группу входов от бортовых компьютеров 12 и 13 соответственно разовых команд и их комбинаций для выдачи на группу 19 проводов СУП: разрешение включения двигателей в ходовые режимы, включение двигателей, разрешение включения ходового режима, включение ходового режима, вращение реостатного контроллера, режим "Ход 3", разрешение восстановления реле перегрузки.
С помощью модуля осуществляется реализация следующих ходовых режимов: «Ход 1», «Ход 2», «Ход 3», «Выбег».
Модуль 23 управления режимом тяги построен таким образом, что для срабатывания и подключения группы 19 проводов СУП необходим прием команд от обоих бортовых компьютеров 12 и 13.
Модуль 24 управления режимом торможения осуществляет прием на первую и вторую группы входов от бортовых компьютеров 12 и 13 соответственно разовых команд и их комбинаций для реализации режимов электродинамического и электропневматического торможения подключением группы 19 поездных проводов СУП.
Для осуществления электродинамического торможения выдаются следующие команды: включение двигателей, включение режима торможения, вращение реостатного контроллера, разрешение ручного торможения, ручное торможение, разрешение электродинамического замещения торможения, замещение электродинамического торможения.
С помощью модуля 24 осуществляется реализация следующих тормозных режимов: «Тормоз 1», «Тормоз 1А», «Тормоз 2».
Команды, выдаваемые для осуществления электропневматического торможения: включение вентиля замещения В1, включение вентиля замещения В2, управление ЭПК 15.
Модуль 24 управления режимом торможения построен таким образом, что для срабатывания и подключения группы 19 проводов СУП, достаточно наличия и приема команды от одного из бортовых компьютеров 12 или 13.
Модуль 25 управления дверьми предназначен для приема на первую и вторую группу входов от первого и второго бортовых компьютеров 12 и 13 команд управления дверьми: закрытие дверей, открытие левых дверей, открытие правых дверей.
Для прохождения команды «закрытие дверей» достаточно приема ее от одного из бортовых компьютеров 12 или 13. Для срабатывания управляющих команд по открытию дверей и подключения группы 19 проводов СУП необходим прием команд от обоих бортовых компьютеров 12 и 13.
Для приема и согласования уровней сигналов группы 19 проводов СУП и слаботочных цепей системы, введен блок 26 модулей защиты, на вторую и третью группу входов которого поступают сигналы от группы 19 проводов СУП (сигналы обратного контроля о выполнении команд) и от органов 20 управления машиниста.
Блок 26 модулей защиты обеспечивает также прием сигналов от точек обратного контроля со вторых групп выходов модуля 23 управления режимом тяги, модуля 24 управления режимом торможения и модуля 25 управления дверьми.
Таким образом, с группы выходов блока 26 модулей защиты, на вторые группы входов бортовых компьютеров 12 и 13 поступают команды от органов 20 управления машиниста и сигналы, которые позволяют контролировать прохождение и выполнение команд управления, а также состояние исполнительных устройств.
Бортовые компьютеры 12, 13, представляющие собой дублированную систему контроля и управления, непосредственно соединены между собой (посредством портов дискретного ввода-вывода) - группа первых выходов одного является второй группой входов другого бортового компьютера, что позволяет проводить обмен информацией и сравнение команд, сформированных каждым из бортовых компьютеров 12, 13 для выдачи на определенную группу ключей блока 16 релейной коммутации. В случае отрицательного результата сравнения в течение заданного времени, происходит формирование команд на группы 19 проводов, обеспечивающих «защитное» состояние СУП, и выдача команды в блок 14 управления для срабатывания ЭПК 15.
Для возможности проверки состояния ключей (выявление ложного замыкания) и проверки их срабатывания, после каждого ключа введены связи для обратного контроля. По обратным же связям каждый из бортовых компьютеров 12, 13 контролирует прохождение команд управления через все группы ключей (сигналы от точек обратного контроля схем блока 16 релейной коммутации), а также осуществляет циклический прием сигналов о состоянии цепей управления электропоезда от группы 19 проводов СУП и от органов 20 управления машиниста, и формирует оперативную информацию для передачи в третий и четвертый бортовые компьютеры 17, 18.
При торможении бортовые компьютеры 12, 13 осуществляют контроль в пределах заданного времени эффективности торможения по сигналам, принятым от группы 19 проводов СУП и, в случае неэффективности торможения, реализуемого по командам от бортовых компьютеров 17 и 18, выдают сигнал на экстренное торможение с помощью блока 14 управления ЭПК 15.
Вновь введенные блоки и дополнительные связи позволяют исключить возможность накопления отказов, обеспечить контроль состояния узлов, влияющих на выработку ответственных команд, обеспечить эффективность тестовых проверок исполнения команд при работе на линии, на каждой станции и стационарных проверок.
Таким образом, предлагаемая система управления и обеспечения безопасности движения электроподвижного состава позволяет расширить функциональные возможности, повысить эффективность контроля и уровень безопасности железнодорожных перевозок.
Для реализации блоков системы может быть использована современная элементная база и выпускаемые промышленностью устройства.
Для построения блока связи может быть использован сигнальный процессор eZdsp TMS320F2812 и приемо-передатчик А82С250.
Первый и второй бортовые компьютеры 12, 13 могут быть реализованы на базе процессорных блоков, например CPU 188-5 (СРС 10101) фирмы Fastwel, CAN-портов, в качестве которых могут быть использованы платы CAN 200 МР фирмы «Элкус», плат дискретного ввода DI32-5 и вывода DO32-5 фирмы Fastwel.
Третий и четвертый бортовые компьютеры 17 и 18 могут быть построены на основе процессоров с CAN - портами СРС 203 фирмы Fastwel и плат адаптеров канала KIB 985-01.
Модули 23, 24, 25 управления, входящие в блок 16 релейной коммутации, могут быть выполнены, например, с использованием серии модулей коммутации и контроля тока МККТ на базе твердотельных реле с возможностью контроля срабатывания (ЗАО «Электрум АВ») и клеммных соединителей с диодной развязкой, предназначенных для развязки ключей от аппаратуры вагона.
МККТ могут быть установлены на радиатор для отвода тепла.
Блок 26 модулей защиты, входящий в блок 16 релейной коммутации, может быть выполнен на базе клеммных соединителей WAGO, установленных на DIN-рельсах. К клеммам с группами модулей защиты подключаются с одной стороны - провода модулей 23, 24, 25 управления, а с другой стороны - группа 19 проводов СУП и от органов 20 управления машиниста. Каждый модуль защиты реализован на основе резисторных делителей, дросселей, варисторов и ограничительных диодов.
Предложенная система является промышленно применимой: электроподвижные составы серий 81-717 и 81-540, укомплектованные двумя системами управления каждый, реализованными на основе заявляемой полезной модели, проходят опытную эксплуатацию в метрополитене.