В статье рассмотрено появление нового поколения средств автоматики и телемеханики, основанного на микропроцессорной элементной базе, которое принесло новые требования к определению надежностных характеристик и показателей безопасности.
Более надежная элементная база, применение средств диагностики и другие меры приводят к тому, что вероятность отказов в новых устройствах железнодорожной автоматики меньше, чем в традиционных релейных устройствах.
Ключевые слова: микропроцессорная система, СЖАТ, тональные рельсовые цепи, СИРДП, СЦБ, автоблокировка.
Решение стратегической задачи повышения эффективности работы железнодорожного транспорта, увеличения пропускной и провозной способности железных дорог невозможно без их оснащения современными и надежными техническими средствами. При этом особая роль принадлежит средствам автоматики и связи. Составляя всего 5 % от общей стоимости основных фондов, они определяют пропускные способности железнодорожных линий, обеспечивают автоматизацию перевозочного процесса и безопасность движения поездов.
Перевозочный процесс, реализуемый на железнодорожном транспорте, состоит из множества частных технологических процессов, основным из которых является процесс управления движением поездов. И, как следствие, все технологические процессы, выполняемые в других хозяйствах железнодорожного транспорта и связанные с перевозочным процессом, могут интегрироваться только на основе систем интервального регулирования движения поездов (СИРДП). Что, в свою очередь, определяет временной и пространственный безопасный интервал между поездами, роль, значение и эффективность систем железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ).
Новые технологии, внедряемые в СИРДП, позволяют повысить безопасность перевозочного процесса и пропускную способность железнодорожных линий и, следовательно, увеличить эффективность перевозочного процесса в целом за счет интенсивных факторов развития транспортного производства. К новым технологиям относятся, в частности, современные системы железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ), выполненные на новой элементной базе.
Большинство систем ЖАТ, эксплуатируемых на железных дорогах, включает в себя устройства, выполненные на релейной элементной базе. Современное состояние железнодорожной автоматики и телемеханики характеризуется процессом интенсивного создания и внедрения устройств, реализованных с использованием самых последних достижений микроэлектроники, микропроцессорной техники, теории передачи и обработки сигналов.
Из них автоблокировка с тональными рельсовыми цепями имеет высокую надежность, высокий коэффициент возврата путевого приемника, высокую помехозащищенность и защищенность от влияний тягового тока.
В автоблокировке (АБ) с тональными рельсовыми цепями применяют рельсовые цепи без изолирующих стыков. В этих рельсовых цепях в качестве сигнального тока используют ток тональной частоты. Основное преимущество таких рельсовых цепей в отсутствии изолирующих стыков на перегоне, что значительно сокращает время на их обслуживание, обеспечивает лучшие условия для канализации обратного тягового тока. При таких рельсовых цепях значительно сокращается количество дроссель-трансформаторов (ДТ). Также рельсовые цепи тональной частоты в отличие от других типов рельсовых цепей могут устойчиво работать при пониженном сопротивлении балласта [1].
Используют два типа рельсовых цепей ТРЦ-3 и ТРЦ-4 (соответственно тональные рельсовые цепи третьего и четвертого поколения). Рельсовые цепи ТРЦ-3 используют сигнальный ток частотой 420 или 480 Гц и имеют максимальную длину 1000 м. ТРЦ-4 использует ток частотой 5000, 5500, 4500 Гц их длина 100–300 м (обычно 200 м). Поскольку длина блок-участка автоблокировки более 1000 м, то каждый блок-участок контролируется несколькими тональными рельсовыми цепями (обычно четырьмя). У проходных светофоров размещают две ТРЦ-4 имеющие зону шунтирования 15 м, остальная часть блок-участка контролируется одной или двумя ТРЦ-3 имеющими зону шунтирования 150 м.
Вся аппаратура тональных рельсовых цепей размещается в релейных шкафах сигнальных точек, в местах подключения аппаратуры располагают лишь согласующие элементы (трансформаторы) и элементы защиты (разрядники).
Рис. 1. Рельсовые цепи тональной частоты.
Рельсовые цепи ТРЦ-3 получают питание от генератора ГП (рис. 1) вырабатывающего сигнал на частоте 420 или 480 Гц, через фильтр питающего конца этот сигнал подается на трансформатор, согласующий сопротивление аппаратуры с сопротивлением рельсовой линии. Сигнал от генератора ГП при отсутствии поезда воспринимают два приемника ПП размещаемые по обе стороны от генератора на расстоянии не более 1000 м. На выходе приемника включены основные путевые реле А2ПО и Б2ПО. К приемнику через блок выпрямителей сопряжения БВС-4 подключают дублирующие реле А2ПД и Б2ПД.
Рельсовые цепи ТРЦ-4 питаются от генератора ГРЦ-4, располагаемого за проходным светофором на расстоянии 20 м. Сигнал с частотой 5000 или 4500 Гц подается в рельсовую линию через питающий фильтр ФРЦ-4. Принимают сигнал из линии два приемника ПРЦ-4, на выходе которых включены путевые реле А1ПО и Б1ПО. Через блок выпрямителей сопряжения получают питание дублирующие реле Б1ПД и А1ПД. Место включения приемников ТРЦ-3 и ТРЦ-4 обычно совмещают. При обесточивании одного из путевых или дублирующих реле блок-участок считается занятым.
На двухпутных участках для защиты от попадания сигнального тока одного пути на другой путь используют модуляцию сигнального тока. На одном пути сигнал модулируют частотой 8 Гц, на другом — 12 Гц.
Тональные рельсовые цепи кодируются на каждом блок-участке с нескольких точек (1–2, 3–4, 5–6, 9–10) по мере продвижения поезда. При этом к соответствующим точкам подается питание 50 Гц через контакты трансмиттерного реле (на рис. 1 не показано).
Дроссель трансформаторы в тональной автоблокировке используют только для выравнивания тягового тока в рельсах, для этого у проходного светофора устанавливают один дроссель-трансформатор, допускается подключать через этот ДТ питающий конец ТРЦ-4.
К недостаткам тональных рельсовых цепей (по сравнению с кодовыми рельсовыми цепями 25 Гц) следует отнести большее количество аппаратуры и больший расход кабеля (особенно в ТРЦ с центральным размещением аппаратуры).
Наиболее перспективными сейчас считают тональные рельсовые цепи с центральным размещением аппаратуры. При таком расположении значительно сокращаются затраты на обслуживание рельсовых цепей. Тональные рельсовые цепи используют также для контроля участков станций.
По типу элементной базы системы АБ с ТРЦ можно разделить на системы с релейно-контактными устройствами, микроэлектронные системы и микропроцессорные системы [1].
В настоящее время на сети стальных магистралей внедряется целый ряд микропроцессорных систем и устройств для управления движением поездов и маневровой работой. Это — диспетчерская централизация и диспетчерский контроль, электрическая централизация и автоблокировка, полуавтоматическая блокировка. Названные системы дополнены новыми устройствами электропитания, цифровой аппаратурой рельсовых цепей, счетчиками осей, многозначной автоматической локомотивной сигнализацией (АЛС), микропроцессорной аппаратурой АЛС на локомотиве.
Соответственно, большинство фирм-производителей устройств СЖАТ прекращает выпуск электромеханических реле и переходит на микропроцессорную элементную базу. Это объясняется следующими достоинствами микропроцессорных устройств [2]:
1. Элементная база (промежуточные трансформаторы, электронная часть, выходные устройства) у большинства устройств СЖАТ получается практически одинаковой. Отличие заключается в программном обеспечении.
2. В силу идентичности устройства комплектов различного назначения, достигается высокая степень автоматизации производства с минимальной долей ручного труда.
3. Микропроцессорные устройства органически входят в автоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУ ТП) электрической части сетей и систем и обеспечивают высокую степень информатизации электроэнергетических процессов. В конечном счете это (со временем) должно повысить надежность электроэнергетических сетей и систем.
4. Микропроцессорные устройства являются интеллектуальными системами, обладающими возможностью совершенствования путем изменения программного обеспечения и использования более перспективных принципов выполнения (алгоритмов) защиты. Изменение алгоритмов и программ возможно осуществлять в ходе эксплуатации.
5. Эти устройства не требуют использования мощных ТТ и ТН, т. к. их потребление по цепям тока и напряжения крайне мало (единицы вольт и миллиамперы).
Широкое внедрение микропроцессорных устройств сдерживается их высокой стоимостью и практически отсутствием в производстве микропроцессорной техники. Однако это явление временное и в перспективе микропроцессорная техника СЖАТ альтернативы не имеет, другие устройства с нею со временем будут неконкурентоспособны.
В микропроцессорных системах электрической централизации (МПЦ) реализация логических цепей построена на использовании микропроцессорных контроллеров. Вместе с тем, наблюдается тенденция увеличения скоростного барьера, что потребует в ряде случаев увеличения быстродействия устройств контроля состояния пути. Заметим здесь, что тональные рельсовые цепи (ТРЦ) приняты сейчас для повсеместного проектирования новых и реконструкции устаревших систем сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ). Эти рельсовые цепи являются инерционным узлом, снижающим быстродействие. Такая особенность РЦ вызвана, как известно, повышением помехоустойчивости путевых приемников при воздействии импульсных помех.
На сегодняшний день, актуальными являются исследования по переходу на мультипроцессорную элементную базу — построению генератора и приемника РЦ на базе программируемых логических матриц (ПЛИС) в увязке с мультипроцессором. Изготовлен макет приемника и генератора частотных РЦ с применением мажоритарного резервирования. ПЛИС программируется по технологии FPGA «Spartan». Процессор поддерживает операционную систему реального времени с разработанным ПО либо ПО, созданное как standalone, ведет функциональный контроль ПЛИС, сбор данных, осуществляет передачу информации по любому каналу связи (в планах использование Wi-Max), принимает решение. Поскольку ПЛИС является гибким элементом в плане программирования, то разрабатывается «прошивка» диагностического контроля узлов рельсовой цепи. Кроме того, в устройстве решена задача преодоления «зависания» ПО, а также, интегрирован алгоритм самодиагностики системы на ответственных этапах выполнения кода, в целом, чтобы все узлы соответствовали первому классу надежности.
Базовый объект для разработки (ПЛИС) — универсальное устройство, и может использоваться не только как генератор или приемник ТРЦ, но и в качестве многоканального АЦП с гальванической развязкой по каналам для сбора данных с любого объекта СЖАТ с частотой сигнала до 100 МГц. Такое устройство может быть успешно применено в системах автоматики на железнодорожном транспорте. На ПЛИС также может быть реализован синтезатор частот для генерации сигналов в тональных рельсовых цепях (ТРЦ) или в преобразователях — инверторах источников вторичного питания.
Микропроцессорные устройства являются действительно прогрессивным направлением развития энергетики.
Провозглашаемая производителями высокая надежность микропроцессорных устройств не всегда соответствует действительности. Персоналу, обслуживающему любой блок микропроцессорной защиты, следует хорошо представлять все слабые стороны таких устройств и умело корректировать их работу.
Литература:
1. Кулик, П.Д., Ивакин Н. С., Удовиков А. А. Тональные рельсовые цепи в системах ЖАТ: построение, регулировка, обслуживание, поиск и устранение неисправностей, повышение эксплуатационной надежности. — Киев: Издательский дом «Мануфактура», 2004.
2. Зотов, В. Ю. Проектирование встраиваемых микропроцессорных систем на основе ПЛИС фирмы Xilinx, — М.: Горячая линия — Телеком, 2006.
