Особенности и этапы развития перегонных систем автоматики

РЕФЕРАТ

ОСОБЕННОСТИ И ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПЕРЕГОННЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

1. Особенности перегонных систем железнодорожной автоматики и телемеханики

К перегонным системам железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ) относят полуавтоматическую (ПАБ) и автоматическую (АБ) блокировку, автоматическую локомотивную сигнализацию (АЛС), автоматические ограждающие устройства на переездах, системы диспетчерского контроля. Эти системы повышают эффективность перевозочного процесса и безопасность движения поездов.

Для понимания логики построения современных систем железнодорожной автоматики и перспектив их развития рассмотрим особенности систем СЖАТ. Особое внимание уделим перегонным системам.

Основным требованием к перегонным системам, как и к любым другим устройствам СЖАТ, ответственным за безопасность движения поездов, является требование безопасности их функционирования: никакие отказы системы, ее узлов или отдельных элементов не должны приводить к формированию более разрешающих команд.

Поэтому большинство устройств СЖАТ реализовано с использованием электромагнитных реле 1-го класса надежности. Эти реле имеют односторонние отказы, т. е. построены таким образом, что любые неисправности приводят к ложному замыканию тыловых (размыкающих) контактов. Ложное замыкание фронтовых (замыкающих) контактов исключено с достаточно высокой степенью вероятности.

В отдельных случаях для обеспечения требуемого быстродействия (например, в дешифраторах числового кода) или для повышения надежности применяются реле низшего класса или бесконтактные элементы. При этом исправность элементов должна контролироваться схемным путем. В некоторых новых системах автоблокировки с целью повышения безопасности функционирования схем применяется дублирование реле комбинированного типа, а в ряде случаев и нейтральных реле 1-го класса надежности. В системах и устройствах, не отвечающих за безопасность движения, нет необходимости использовать реле 1-го класса надежности и схемный контроль исправности элементов.

Необходимо отметить, что задача обеспечения безопасности движения поездов, являющаяся главной задачей повышения качества перевозок на железнодорожном транспорте России, всегда выдвигалась на первый план. Это вызвано как социальными аспектами (сохранение жизни и здоровья пассажиров), так и экономическими (сохранность грузов и подвижного состава), а также задачами обеспечения конкурентоспособности и экологичности железнодорожного транспорта. Так, в 1986 году на железных дорогах США было допущено 2760 крушений, а на сети дорог СССР при более высокой интенсивности движения поездов - всего 70. Данные о человеческих жертвах на железных дорогах наиболее развитых стран в конце 20-го века в среднем за год приведены в табл. 1.1.

Уровень безопасности железнодорожного транспорта СНГ в сравнении с другими видами транспорта может быть охарактеризован данными табл. 1.2.



Из табл. 1.2 видно, что современный железнодорожный транспорт России является самым безопасным среди различных видов транспорта, а среди железнодорожного транспорта зарубежных стран уступает только Японии. Немалая заслуга в этом принадлежит широкому внедрению систем СЖАТ. Несмотря на это, задача дальнейшего повышения уровня безопасности движения поездов считается одной из важнейших, а имеющиеся случаи опасных отказов устройств СЖАТ требуют их дальнейшего совершенствования.

Повышаются требования и к надежности устройств СЖАТ. Отказ такой системы, вызвавший неоправданную остановку или снижение скорости поезда, приводит к задержкам не только этого поезда, но и следующих за ним. При длительных задержках возникает сбой в движении поездов обоих направлений на целом участке и даже на соседних участках. Следствием этого являются прямые экономические потери, вызванные простоем поездов и нарушением сроков доставки грузов, а также потери от недополученного дохода, снижение доверия пассажиров и грузоотправителей к железнодорожному транспорту.

Другим негативным последствием отказов устройств СЖАТ является снижение уровня безопасности движения поездов при выключенных из-за неисправности или находящихся в защитном состоянии устройств СЖАТ. В таких случаях проверка условий безопасности и формирование управляющих команд системой регулирования не осуществляется или осуществляется частично и возлагается на человека (машиниста при проезде в инструктивном порядке светофора с запрещающим показанием, дежурного по станции при организации немаршрутизированных поездных или маневровых передвижений на станции и т. д.). Известно, что доминирующей причиной происшествий, связанных с безопасностью движения поездов, являются ошибки людей. Причем большая часть крушений, аварий и брака из-за ошибок человека допускается именно в условиях нарушения нормальной работы устройств СЖАТ.

Недостаточная надежность большинства систем привела к необходимости применения планово-профилактического метода обслуживания устройств СЖАТ, что повышает расходы на эксплуатацию этих систем.

Перечисленные выше негативные факторы в наибольшей степени проявляются в перегонных системах с традиционными структурами, что вызвано следующими особенностями этих устройств.

Распределенность устройств в пространстве и удаленность от мест дислокации обслуживающего персонала. Это приводит к большим затратам времени на поиск и устранение повреждений. По сети дорог страны среднее время восстановления АБ после отказа составляет 2,7 часа. При этом значительная часть времени тратится электромехаником на перемещение к неисправному объекту.

Невозможность организации обходных путей для поездов при неисправности перегонных устройств автоматики, что приводит к более значительным сбоям в движении поездов по сравнению со сбоями на станциях.

Размещение аппаратуры перегонных устройств в релейных шкафах. При этом аппаратура подвергается отрицательному воздействию температуры окружающей среды (-50…+60⁰С), влажности (до 98%), пыли, вибрации (от 5 до 160 Гц при ускорении 0,6 g), что снижает надежность и долговечность устройств.

Необходимость передачи информации между отдельными объектами, что приводит к усложнению систем, снижению их надежности и увеличивает вероятность сбоев в условиях влияния помех.

Отсюда вытекает необходимость дальнейшего совершенствования перегонных устройств СЖАТ в плане повышения их безопасности и надежности, снижения затрат на обслуживание.

В следующих пунктах данного раздела рассматривается логика развития систем автоблокировки от первых устройств до современных.

1.1 Диалектика и пути развития систем автоблокировки

Системы автоматической блокировки прошли более чем вековой путь развития от простейших механических устройств до современных систем на основе микропроцессорной техники. Техническая реализация систем АБ на каждом этапе зависела от многих факторов. К основным факторам следует отнести интенсивность и скорость движения поездов, требования по надежности и безопасности систем АБ, наличие и уровень электрических помех, надежность электроснабжения, уровень развития и достижения науки и техники, опыт и традиции, приобретенные при разработке и эксплуатации действующих устройств.

В первых системах АБ (с 1859 года) был реализован принцип регулирования движения поездов по временному интервалу. При этом сигнальное устройство автоматически переводилось в закрытое (запрещающее) положение при проследовании его поездом. Опыт создания таких устройств был накоплен в процессе разработки и эксплуатации полуавтоматических систем путевой блокировки. В качестве устройств фиксации проследования поезда применяли различные конструкции механических путевых педалей, которые при помощи системы тяг и рычагов закрывали сигнальное устройство. Позже начали применять электрические датчики. Например, датчик в виде магнитоэлектрической машины, устанавливаемой у рельсов и приводимой в действие поездом.

Регулирование временным интервалом было принято как более простое по алгоритму, так как опыта разработки устройств для автоматического контроля освобождения блок-участка (БУ) не существовало. Суть способа заключается в том, что по истечении определенного интервала времени после закрытия сигнала, достаточного для освобождения поездом впередилежащего БУ, происходило самопроизвольное автоматическое открытие этого сигнала. При этом применялись, в частности, такие интересные технические решения, как ртутный тормоз, использующий вязкие свойства ртути при опускании поршня под действием веса; часы с большим циферблатом, которые переводились в исходное положение при проследовании поезда и показывали машинисту следующего поезда, сколько времени прошло с момента проследования впередиидущего поезда. В качестве путевых сигнальных устройств применяли семафоры, поворотные диски, упоминавшиеся выше часы.

Очевидно, что такие системы АБ не могли обеспечить безопасность движения при остановке какого-либо поезда на перегоне, так как состояние сигнала не зависело от фактического состояния ограждаемых БУ. Поэтому вскоре была разработана система АБ с регулированием по пространственному интервалу, т. е. система с контролем состояния ограждаемого участка пути. В этой АБ, в дополнение к предыдущим устройствам, информация о проследовании поездом путевого сигнала передавалась при помощи электрического сигнала к предыдущему семафору и обеспечивала его автоматическое открытие. Фиксация проследования поезда и управление семафорами осуществлялись при помощи электрической энергии. Подобные системы относятся к так называемым точечным системам АБ, так как поезд воздействует на путевые устройства только в определенных точках пути. Недостатки таких систем - не контролируется освобождение блок-участка поездом в полном составе, нет контроля целостности рельсов.

Успехи электротехники позволили Вильяму Робинзону изобрести в 1867 году электрическую рельсовую цепь (РЦ), а в 1869 году - автоблокировку на ее основе. Это была экономичная по потреблению электроэнергии нормально разомкнутая рельсовая цепь с питанием от гальванических элементов. Эксплуатация автоблокировки на участке Филадельфия-Эри показала недостатки нормально разомкнутых рельсовых цепей с точки зрения безопасности движения - отсутствие контроля исправности рельсовой линии и аппаратуры, что могло привести к открытому состоянию сигнала при фактически занятом БУ.

В 1872 году Робинзон разработал лишенную указанных недостатков нормально замкнутую РЦ с предельной длиной 1,2 км.

Внедрение электрической тяги потребовало изменения схем рельсовых цепей. Для пропуска тягового тока одну рельсовую нить оставили без изолирующих стыков. Полученная однорельсовая (по современной терминологии - однониточная) РЦ обладала рядом недостатков - малая предельная длина (300-400 м), крайне низкая защищенность от помех постоянного тягового тока с возможностью ложного возбуждения путевого реле при занятом БУ или изломе рельса. Попытки устранения указанных недостатков долго не давали положительных результатов.

Только в 1902 году была изобретена рельсовая цепь переменного тока, защищенная от помех тягового тока. Появлению и использованию этого изобретения способствовало начало электрификации в конце ХIХ века, успехи в освоении техники переменного тока и передаче дешевой электроэнергии от централизованных электростанций. В предложенной двухрельсовой (двухниточной) РЦ постоянный тяговый ток пропускался в обход изолирующих стыков по дроссельным катушкам, аналогичным полуобмоткам основных обмоток современных дроссель-трансформаторов. РЦ переменного тока оказались более дешевыми в эксплуатации, стали вытеснять РЦ постоянного тока даже на участках с автономной тягой и явились мощным стимулом внедрения автоблокировки.

Однако через 20-30 лет вновь начали широко применяться РЦ постоянного тока. Объясняется это следующими факторами - недостаточное распространение источников переменного тока и низкая надежность электроснабжения, изобретение выпрямителей и создание аккумуляторов, приемлемых по стоимости и надежности. Указанные достижения электротехники позволили создать РЦ и АБ постоянного тока с питанием через выпрямитель от сети переменного тока и резервным питанием от аккумуляторных батарей. С развитием сетей электроснабжения и повышением их надежности автоблокировка постоянного тока в нашей стране в новом строительстве перестала применяться из-за сложности обслуживания аккумуляторных батарей и влияния электрохимического эффекта на работу РЦ постоянного тока с импульсным питанием.

В дореволюционной России до 70-х годов 19 века пользовались системами регулирования с временным интервалом, затем полуавтоматической блокировкой с телеграфным и телефонным способами сношений между блок-постами. Первая автоблокировка с рельсовыми цепями на опытном участке длиной 3 км была построена в 1915 году.

В послереволюционной России в 1931 году с целью выбора наиболее перспективной системы АБ были закуплены в США, Германии и построены системы АБ четырех типов:

С рельсовыми цепями переменного тока частотой 50 Гц со стыковыми дросселями и линейными цепями переменного тока (для участка с электрической тягой постоянного тока). Всего в АБ использовалось три реле - путевое, линейное (фазочувствительные реле моторного типа) и огневое. Применение фазочувствительных реле обеспечивало надежную защиту от влияния тягового тока. Однако наша промышленность того времени была не в состоянии освоить выпуск столь сложных реле.

С рельсовыми и линейными цепями постоянного тока на первичных элементах питания. В этой системе использовались более простые реле и автономные источники питания, что делало их привлекательными при работе в местностях, не имеющих центрального электроснабжения. Однако применение гальванических элементов в качестве источников электропитания существенно повышало стоимость АБ.

С рельсовыми цепями переменного тока с фазочувствительными двухэлементными секторными реле и питанием от высоковольтной линии. Эта система также не была принята к широкому применению, как и первая.

С рельсовыми цепями постоянного тока при питании через выпрямители от централизованных источников переменного тока с резервом от аккумуляторных батарей (смешанная система питания).

В связи с тем, что на сети дорог в основном использовалась автономная тяга поездов и с учетом развернувшихся работ по электрификации народного хозяйства страны, эта система была принята в качестве основной.

В 1932 году один из самых напряженных участков был оборудован такой системой АБ на отечественных приборах. Этот момент можно считать началом новой истории развития отечественных систем АБ. За 10 лет протяженность железнодорожных линий, оборудованных АБ, достигла 8,5 тыс. км.

В последующем недостатки, присущие АБ постоянного тока, а также перспективы широкого внедрения электрической тяги потребовали разработки более совершенных систем. Наиболее перспективной оказалась числовая кодовая автоблокировка (КАБ), разработанная в 1945 году в Центральном научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта. С 1952 года ее стали применять как основную систему.

Необходимо отметить, что развитие и совершенствование систем АБ, как и всех других устройств СЖАТ, происходит непрерывно. Можно выделить следующие направления такого развития.

1. Модернизация эксплуатируемых систем с целью повышения их надежности и безопасности функционирования. При этом проводится как модернизация отдельных элементов путем улучшения их конструкции, характеристик и совершенствования технологии изготовления, так и совершенствование схемных решений. В первую очередь модернизации подвергаются наименее надежные элементы и схемы, выявленные в процессе эксплуатации. Так, например, дешифратор импульсной работы путевого реле АБ постоянного тока дважды претерпевал существенные изменения. Крупными шагами в направлении совершенствования систем были разработка и внедрение штепсельных реле, бесконтактного коммутатора тока для кодовых рельсовых цепей, двухнитевых ламп, введение двухполюсного размыкания цепей разрешающих огней светофора, последовательное включение контактов повторителей реле Ж и Ж1 в ответственных цепях системы КАБ и многие другие технические решения.

2. Улучшение характеристик существующих систем. Так, например, применение импульсного питания в РЦ постоянного тока позволило существенно увеличить ее предельную длину, введение реле Ж1 в кодовой АБ повысило быстродействие системы и т. д.

3. Модернизация с целью повышения удобства и снижения расходов на обслуживание устройств. К таким мероприятиям следует отнести уже упомянутое внедрение штепсельных реле, введение измерительных панелей в релейных шкафах кодовой АБ, совершенствование конструкции релейных шкафов и способов размещения в них приборов, организацию дистанционного контроля исправности основных элементов АБ.

4. Модернизация систем с целью расширения функциональных возможностей. Существенным изменениям подверглись односторонние системы АБ в связи с необходимостью организации временного двухстороннего движения поездов по одному из путей двухпутного перегона. Произошла и модернизация систем АБ для регулирования поездов разных категорий на пригородных участках с интенсивным движением (АБ с четырехзначной сигнализацией).

5. Разработка систем АБ с новыми принципами построения или с существенными отличительными признаками для комплексного решения вышеперечисленных задач. Существенными отличительными признаками могут быть типы рельсовых цепей, элементная база, способ передачи информации между сигнальными установками, новые технические решения, функциональные возможности системы. Чаще всего толчком для разработки таких систем являются возросшие потребности перевозочного процесса, существенные изменения условий применения систем, достижения техники и технологии или стремление разработчиков создать систему, превосходящую известные системы по многим параметрам (стоимость, надежность, безопасность, удобство обслуживания и т. д.).

Потребности перевозочного процесса могут заключаться в необходимости дальнейшего повышения пропускной способности, оперативной организации двухстороннего движения поездов по каждому пути двухпутного перегона, регулирования движения высокоскоростных поездов, создания систем, стоимость которых соответствует интенсивности движения поездов на данном участке. Под условиями применения АБ понимаются такие факторы, как, например, пониженное сопротивление балласта, наличие грунтов или рельефа местности, затрудняющих установку напольного оборудования, климатическая и социальная обстановка в отдельных регионах.

В настоящее время подавляющее распространение на сети дорог России получила кодовая АБ. Поэтому, прежде чем рассматривать принципы построения и достоинства новых систем автоблокировки, рассмотрим недостатки кодовой АБ, которые устраняются в перспективных системах.

1.2 Анализ кодовой автоблокировки

Знание достоинств и недостатков любого технического устройства необходимо, во-первых, для грамотного выбора области применения этого устройства, во-вторых, для организации эффективного технического обслуживания устройства, в-третьих, для определения путей устранения этих недостатков и разработки новых устройств, лишенных этих недостатков.

Недостатки эксплуатируемых устройств, выявленные в настоящее время, могут быть обусловлены низким уровнем развития науки и техники в период создания этих устройств и отсутствием опыта их разработки и эксплуатации. Недостатки могут быть вызваны также несоответствием или неполным соответствием функциональных возможностей или характеристик устройства новым требованиям, возникшим после разработки и внедрения устройства. Так, кодовая автоблокировка вполне удовлетворяла требованиям перевозочного процесса на момент разработки и дальнюю перспективу, а в техническом отношении была достаточно совершенной для того времени. Современное состояние науки и техники и современные требования к системам АБ выявили ряд недостатков КАБ как в отношении отдельных технических решений, так и в отношении принципов построения системы в целом. Перечисленные далее недостатки КАБ не исключают возможности эксплуатации уже внедренных систем в современных условиях и в перспективе, но позволяют учесть их при разработке новых, более перспективных систем. Для удобства анализа все недостатки КАБ разбиты на четыре группы.

Недостатки по функциональным возможностям.

Ограниченный объем информации об условиях движения.

Принятый в КАБ контроль состояния двух впередилежащих блок-участков недостаточен для высокоскоростного движения из-за резко увеличившейся длины тормозного пути поездов. Отсутствует также информация о длине БУ (больше или меньше длины тормозного пути поезда), что становится особенно существенным в современных условиях при сравнительно коротких БУ и высоких скоростях и весах поездов. Нет информации об ограничениях скорости по состоянию верхнего строения пути и искусственных сооружений.

Невозможность применения на участках с низким сопротивлением изоляции рельсовой линии.

В качестве нормативной величины минимального удельного сопротивления изоляции рельсовой линии (РЛ) принята величина 1 Ом·км. Однако большие объемы перевозок железной руды, минеральных удобрений и солей и возросшая в 60-80-х годах интенсивность и скорость движения поездов привели к значительному загрязнению балласта. При этом сопротивление шпал из-за концентрации в них электролита снизилось в еще большей степени, чем сопротивление самого балласта. Для поддержания нормативного значения удельного сопротивления изоляции РЛ требуются большие расходы на очистку балласта и замену шпал. В настоящее время 8% путей имеют пониженное сопротивление балласта. Существуют участки, где это сопротивление составляет десятые и сотые доли Омкм. Технически рельсовые цепи КАБ при уменьшении их длины могут работать и при пониженном сопротивлении балласта. Но при этом придется оборудовать большое число разрезных установок, что является экономически нецелесообразным.

Длительная и сложная процедура перехода на двухстороннее движение на двухпутных участках.

В современной КАБ предусмотрена возможность временной организации двухстороннего движения по одному из путей двухпутного перегона. Однако, во-первых, для этого требуются большие подготовительные работы, во-вторых, такая мера рассматривается как особая (при закрытии другого пути) и временная из-за недостаточной надежности схемы смены направления, отсутствия автоматического управления переездом при движении поезда по неправильному пути и из-за необходимости отключения в отдельных случаях устройств диспетчерского контроля и схемы двойного снижения напряжения на лампах светофоров. Современные потребности перевозочного процесса приводят к необходимости организации двухстороннего движения поездов по каждому пути двухпутного перегона без проведения предварительной настройки АБ.

Низкое быстродействие.

Если говорить об управлении светофорами в современных системах КАБ, то их быстродействие является вполне удовлетворительным. Но если учесть, что для передачи информации между светофорами и для передачи информации на локомотив используется общий сигнал, то станет ясно, что применяемый числовой код является бесперспективным. Связано это с тем, что увеличение числа передаваемых сообщений приведет к недопустимому удлинению кодовой посылки и увеличению времени ее расшифровки.

Недостатки КАБ по показателям надежности.

Недостаточная надежность системы, что объясняется следующими факторами:

а) наличие элементов с низкой надежностью (изолирующие стыки, электролитические конденсаторы большой емкости и др.);

б) работа большого числа контактных электромагнитных реле в динамическом режиме при коммутации цепей с индуктивной нагрузкой (импульсное путевое реле, все реле дешифратора) и большой коммутируемой мощностью (трансмиттерное реле). Указанные реле совершают порядка 4 млн. переключений в месяц;

в) работа устройств в тяжелых условиях (вибрация, пыль, влажность, температура).

Планово-профилактический метод технического обслуживания.

Такой метод обслуживания принят в связи с недостаточной надежностью устройств АБ и их большим влиянием на безопасность и бесперебойность движения поездов. Профилактическое обслуживание с целью предупреждения отказов проводится в соответствии с Инструкцией по техническому обслуживанию устройств СЦБ с периодичностью и в сроки, установленные графиком технологического процесса обслуживания. При этом проводится наружный осмотр и чистка приборов на местах установки, осмотр элементов и измерение параметров рельсовых цепей и дешифратора, проверка алгоритма работы схемы, а также ряд других проверок и измерений. Большая часть времени расходуется на проверку рельсовых цепей и дешифратора, которые работают в тяжелых условиях. Кроме того, много времени и средств расходуется на периодическую замену приборов с последующей их проверкой, ремонтом и регулировкой в ремонтно-технологических участках. Все эти мероприятия оправданы с точки зрения обеспечения бесперебойности работы КАБ и безопасности движения поездов, но указывают на необходимость дальнейшего совершенствования систем АБ в плане повышения надежности.

Большая длительность восстановления устройств после отказов.

Процесс восстановления устройств АБ после отказа состоит из следующих этапов:

а) Получение информации об отказе. Информацию о части отказов электромеханик получает с помощью системы дистанционного контроля исправности некоторых устройств АБ. В большинстве же случаев информация о неправильной работе АБ поступает от машинистов поездов. Очевидно, что такая информация является запоздалой и не позволяет судить о причине или характере отказа.

б) Перемещение электромеханика к месту повреждения. Как уже отмечалось, этот этап занимает много времени из-за большой удаленности объектов.

в) Поиск причины отказа. В кодовой АБ относительно большое число элементов работает в динамическом режиме, что существенно затрудняет локализацию отказа. Эта задача усложняется такими факторами, как наличие схемной защиты от короткого замыкания изолирующих стыков, зависимость результата расшифровки кодового сигнала от его временных характеристик, характеристик реле-счетчиков дешифратора и фактической емкости электролитических конденсаторов. Отрицательным фактором является также большая разобщенность в пространстве (до 2,6 км) передатчика и приемника кодовых сигналов, необходимость проведения работ на открытом воздухе при любой погоде и в зоне повышенной опасности в условиях движения поездов.

г) Устранение отказа. Опыт эксплуатации устройств АБ показывает, что на устранение отказа затрачивается меньше времени, чем на перемещение к объекту и на локализацию неисправности. Однако это справедливо лишь в том случае, если не требуется замена какого-либо прибора, т. к. электромеханик не в состоянии заблаговременно доставить к объекту полный комплект запасных приборов.

Недостатки с точки зрения безопасности движения поездов.

Не предусмотрен контроль потери шунта.

При сильно загрязненных рельсах или при остановке короткой подвижной единицы (одиночный локомотив, дрезина, группа оторвавшихся от поезда вагонов) на песке после применения торможения с подпесочиванием возможна потеря шунта, что приводит к ложной свободности БУ. Вероятность этого мала, но такие ситуации были зафиксированы неоднократно и, в ряде случаев, имели тяжелые последствия.

Высокая вероятность аварии при проезде светофора с запрещающим показанием.

Актуальность этой проблемы на современном этапе возросла в связи с тем, что на основных направлениях светофоры АБ расставлены исходя из 6-ти минутного межпоездного интервала, что привело к существенному уменьшению длин блок-участков. Одновременно с этим внедрение мощных локомотивов привело к увеличению длин поездов. В результате поезд занимает практически весь блок-участок и даже срабатывание автостопа при проезде следующим поездом запрещающего светофора не предотвратит тяжелых последствий.

В некоторых случаях применяются реле не первого класса надежности без контроля их исправности.

Например, в схеме выбора кодовых комбинаций при движении поезда по неправильному пути используются контакты поляризованного якоря реле ИП. При его неисправности может быть сформирован более разрешающий кодовый сигнал АЛС, который в данном случае является единственным средством регулирования.

Недостатки по экономическим показателям.

Большие затраты на обслуживание.

Принятый в настоящее время планово-профилактический метод обслуживания устройств СЖАТ требует по сравнению с ремонтно-восстановительным методом больших затрат труда. Сложности поиска и устранения отказов в системе КАБ также приводят к увеличению расходов на техническое обслуживание.

Большой расход драгоценных металлов и дорогих электротехнических материалов.

Для изготовления контактов одного реле требуется до 6,6 грамм серебра. Из электротехнических материалов много потребляется высококачественной электротехнической стали.

1.3 Новые системы автоматической блокировки

Как уже отмечалось, работы по совершенствованию и созданию новых устройств СЖАТ ведутся постоянно. При этом не все разработки доходят до стадии опытной эксплуатации, внедрения или широкого применения. Однако даже не внедренные разработки играют положительную роль. В процессе создания таких систем, их лабораторных и эксплуатационных испытаний накапливается опыт разработчиков, отдельные наиболее перспективные идеи и технические решения используются в последующих разработках, отклоняются ошибочные и бесперспективные решения.

Поэтому в данном разделе рассматриваются не только системы АБ, широко внедренные по сети дорог страны, но и другие разработки, заслуживающие внимания.

Частотная автоблокировка

Частотная АБ (ЧАБ) была разработана в конце 60-х годов в связи с планированной организацией высокоскоростного движения на участке Москва-Ленинград (до 200 км/ч) и через 10 лет внедрена на этом участке.

Рассмотрим особенности этой системы по основным отличительным признакам.

В ЧАБ использованы рельсовые цепи переменного тока с непрерывным питанием и гетеродинным приемником. Передача информации между светофорами осуществляется по рельсовой линии с использованием частотного кода. Применяются четырехзначные светофоры. В эксплуатируемой системе контролируется состояние четырех впередилежащих БУ; предусмотрена возможность увеличения этого числа до любого, практически необходимого количества. В качестве элементной базы применяется бесконтактная аппаратура (передающие и приемные устройства РЦ, кодообразующие устройства) и электромагнитные реле.

Для питания РЦ и увязки показаний светофоров предусмотрено 6 диапазонов частот со средними частотами f₂=125, f₃=175, f₄=225, f₅=275, f₆=325 и f₇=375 Гц. Кодовые сигналы образуются в виде комбинации двух частот из указанного диапазона. Это позволяет сформировать при необходимости 15 комбинаций с кодовым расстоянием d=2, что обеспечивает достаточно высокую помехоустойчивость и достоверность формирования и передачи сообщений.

Требуемое количество кодовых комбинаций зависит от конкретных условий применения системы. Так, например, при скорости до 200 км/ч для подавляющего большинства существующих линий необходимо контролировать состояние 4-х впередилежащих БУ, т. е. передавать на локомотив 5 сообщений. С учетом дополнительных сообщений об условиях приема поезда на станцию в системе ЧАБ использовано 5 частот (f₂…f₆).

Для исключения ложного срабатывания приемника от сигналов смежной РЦ при пробое изолирующих стыков или от сигналов рельсовых цепей параллельного пути используется частотная защита с гетеродинным приемником. С этой целью в каждом диапазоне частот предусмотрено 4 частотных сигнала. Например, для диапазона f₂: f₂₁=118,8 Гц; f₂₂=121,9 Гц; f₂₃=126,6 Гц; f₂₄=129,7 Гц. Каждый из этих сигналов несет одинаковое сообщение с точки зрения передачи информации. В рельсовых цепях одного пути чередуются две частоты, отличающиеся на 7,8 Гц. Две другие частоты применяют для рельсовых цепей параллельного пути двухпутного участка.

На сигнальных установках для каждого частотного диапазона предусмотрен свой гетеродинный приемник. На один вход приемников подается сигнал, принятый из РЛ ограждаемого БУ, на другой _ сигнал от генератора, питающего рельсовую цепь предыдущего БУ. Приемник сработает только в том случае, если разность частот этих сигналов равна 7,8 Гц. Если частоты совпадают, то напряжение на выходе приемника равно нулю.

Кодовые сигналы ЧАБ используются также для работы многозначной АЛС (АЛСМ). Локомотивные светофоры АЛСМ сигнализируют условным цветом огня и дополнительными знаками в виде букв (У _ уменьшенная, С _ средняя скорость) или цифр (200, 160, 120, 80). Эти сигналы указывают допустимую скорость проследования впередистоящего светофора.

К недостаткам системы ЧАБ следует отнести сложность регулировки рельсовых цепей для пяти частот сигнального тока; громоздкость оборудования, что особенно существенно для локомотивных устройств АЛСМ; необходимость достаточно высокой стабильности частоты напряжения в системе электроснабжения.

Унифицированная самопроверяемая система АБ

Унифицированная система автоблокировки (УСАБ) была разработана в начале 80-х годов 20 века. Первая система внедрена в 1982 году на Южно-Уральской железной дороге. При создании системы разработчики преследовали следующие цели:

Повышение надежности системы.

Создание системы, не требующей профилактических работ и позволяющей перейти на аварийно-восстановительный метод обслуживания.

Существенное повышение уровня безопасности движения поездов.

Расширение функциональных возможностей системы.

Рассмотрим новые технические разработки, принятые в системе УСАБ для решения этих задач.

Рельсовые цепи имеют следующие особенности.

Применена фазочувствительная РЦ с непрерывным питанием переменным током частотой 25 Гц, что существенно повышает надежность и устойчивость работы РЦ при пониженном (до 0,5 Ом·км) сопротивлении изоляции РЛ. Предусмотрена возможность работы на участках с удельным сопротивлением изоляции до 0,1 Ом·км. Контроль пробоя изолирующих стыков _ фазовый. Предельная длина РЦ увеличена до 2000 м за счет настройки в резонанс, использования режима прямого подъема сектора путевого реле и терморегулировки в цепи местной обмотки реле ДСШ-13А.

Питание путевой и местной обмоток двух путевых реле смежных РЦ осуществляется от общей питающей установки, что позволяет реализовать простую схему контроля фаз и исключить вероятность их опасного искажения при неисправностях.

Предусмотрен контроль подпитки путевого реле от постороннего источника. Для этого фиксация освобождения рельсовой цепи осуществляется следующим образом. После возбуждения путевого реле производится уменьшение напряжения питания РЦ до расчетного значения. Если в течение 1,2 с сектор путевого реле не опустится, то фиксируется неисправность, питание рельсовой цепи отключается, включение разрешающего сигнала исключается.

Схема контроля потери шунта. Принцип работы схемы основан на контроле последовательности занятия рельсовых цепей при проследовании поезда. Схема исключает появление разрешающего сигнала на светофоре при освобождении ограждаемого БУ, если предварительно не было зафиксировано вступление подвижной единицы на следующий БУ и на впередистоящем светофоре не включен запрещающий сигнал. В схеме предусмотрена защита от ложного наложения шунта, что исключает сбои в работе схем УСАБ и повышает достоверность передачи извещения на станцию и переезд.

Схема тестовой проверки контролирует достоверность разрешающего показания проходного светофора. При приближении поезда за 2 блок-участка схема производит снижение напряжения питания контролируемой РЦ до расчетного значения. Если сектор путевого реле опустится, то питание рельсовой цепи восстанавливается, разрешающий сигнал светофора сохраняется. В противном случае сигнальное реле, выдержав замедление, отпускает свой якорь и включает на светофоре, ограждающем данный БУ, запрещающий сигнал.

Контроль правильности функционирования системы проводится на сигнальных установках при освобождении поездом ограждаемого БУ. Для этого схема УСАБ устроена таким образом, что при включении разрешающего сигнала происходит изменение состояния каждого из контролируемых реле. При нарушении предусмотренного алгоритма работы приборов включение разрешающего сигнала исключается. Этим согласуются противоположные требования по обеспечению надежности системы (статическая работа электромагнитных реле) и безопасности ее функционирования (динамическая работа элементов).

Кроме указанного выше, надежность системы УСАБ повышена за счет использования нового поколения реле типа РЭЛ, исключения электролитических конденсаторов и выпрямительных элементов, отказа от реверсирования РЦ при смене направления движения, применения бесконтактных коммутаторов тока в цепях кодирования АЛС. Для контроля исправности аппаратуры и локализации неисправностей предусмотрена индикация состояния основных элементов.

Связь между сигнальными установками осуществляется по линейным цепям. По ним реализуется увязка показаний светофоров, передача сигнального тока к питающим концам РЛ, передача извещения о приближении поезда для схемы тестовой проверки. Схемы УСАБ обеспечивают двухстороннее регулирование поездов по каждому пути двухпутного перегона.

Микроэлектронные и микропроцессорные системы АБ

В настоящее время в технике СЦБ все большее внимание уделяется разработке и применению систем с использованием микроэлектронных элементов. Особенно большие преимущества дает микропроцессорная техника с программируемой логикой.

Реализация устройств на основе микропроцессоров позволяет существенно повысить надежность и быстродействие систем автоматики, расширить их функциональные возможности, выполнять алгоритм любой практически необходимой сложности, создавать универсальные блоки и легко адаптировать их к конкретным условиям применения и изменять алгоритм или исходные данные при изменении параметров объекта управления.

Широкие возможности программируемой логики позволяют решать задачи самопроверки и реконфигурации собственной структуры при отказах, осуществлять диагностику объектов управления, а также большое число сервисных функций.

Микропроцессорные СЖАТ обеспечивают взаимодействие и простое согласование с устройствами автоматизированных систем управления верхнего уровня и устройствами локальной автоматики, производят регистрацию и документирование информации о неисправностях, нештатных действиях эксплуатационных работников и других существенных событиях.

Заслуживают внимания два направления разработки бесконтактных систем - электронные системы АБ типа КЭБ и электронные системы единого ряда на новой элементной базе. Ниже рассмотрены принципы построения некоторых микроэлектронных и микропроцессорных систем этих классов.

Системы АБ типа КЭБ

Системы типа КЭБ начали разрабатываться с середины 90-х годов 20 века. Они реализуют алгоритм числовой кодовой АБ.

Важность разработки и применения подобных систем на современном этапе объясняется следующими соображениями. Кодовая АБ имеет преобладающее распространение на сети железных дорог страны. Наиболее интенсивное внедрение этих систем происходило в 1965_1985 годах. В настоящее время из-за последующего снижения капитальных вложений в хозяйство СЦБ большой объем устройств АБ выработал свой ресурс, физически и морально устарел. Следствие этого - рост затрат на содержание и обслуживание устройств, снижение уровня безопасности движения. Так, старение устройств АБ в 2001 году составило 17,6% (процент устройств со сроком службы более 25 лет), а в 2005 году может достичь 31%. Замена устройств на новые перспективные системы требует больших капитальных вложений, приводит к перерывам движения поездов при строительстве и пуско-наладочных работах и является экономически целесообразной только на участках с высокой интенсивностью движения. Устройства КЭБ позволяют произвести обновление эксплуатируемых систем АБ путем реконструкции с частичной или полной заменой приборов на электронные аналоги без изменения монтажа.

В настоящее время разработаны 2 разновидности таких систем.

Кодовая автоблокировка на электронной элементной базе

КЭБ-1

КЭБ-1 предназначена для реконструкции кодовой АБ путем замены в релейных шкафах сигнальных установок электромеханических устройств, работающих в импульсном режиме, на электронные с сохранением существующих кодовых РЦ без изменения расстановки сигналов и другого оборудования. При этом может быть проведена реконструкция как всей автоблокировки, так и замена аппаратуры одной или нескольких сигнальных установок.

В составе КЭБ-1 используются следующие приборы замены:

генератор кодовых сигналов ГК-КЭБ, заменяющий кодовый путевой трансмиттер, трансмиттерное реле и бесконтактный коммутатор тока;

приемник-дешифратор ПД-КЭБ, который заменяет импульсное путевое реле и блоки дешифратора кодовой АБ.

Генератор кодовых сигналов ГК-КЭБ реализован на основе однокристальной микроЭВМ. Кодовые сигналы, формируемые генератором, подаются в рельсовую линию через бесконтактные коммутаторы, входящие в состав ГК-КЭБ. При этом обеспечивается коммутация тока до 5 А при напряжении до 330 В.

В отличие от кодового путевого трансмиттера генератор дополнительно формирует кодовые сигналы К (последовательность импульсов с интервалами 0,12 с). Это позволяет организовать защитные участки за хвостом поезда при его движении по неправильному пути.

Формирование более разрешающей кодовой комбинации исключается схемой контроля кодовых импульсов. Принцип работы этой схемы основан на использовании динамической памяти, осуществляющей контроль длительности дробления кодовых импульсов.

Приемник-дешифратор принимает сигналы из рельсовой цепи, расшифровывает их и в соответствии с этим управляет сигнальными реле. При дешифрации сигнала учитываются его временные параметры и длительность кодовой посылки. Это позволяет реализовать простую и надежную защиту от пробоя изолирующих стыков путем чередования типов генераторов и дешифраторов. Для обеспечения достоверности результатов расшифровки в приемнике-дешифраторе предусмотрена схема сравнения. Эта схема сравнивает инвертированный сигнал с выхода дешифратора после расшифровки и принятый сигнал с выхода входного устройства.

Безопасность функционирования электронных устройств обеспечивается применением безопасных схем логического умножения и безопасных схем памяти. Принцип построения этих схем основан на импульсном представлении сигнала, что обеспечивает контроль исправности элементов по факту их импульсной работы. Для развязки входных и выходных цепей применяются оптопары.

При частичной реконструкции кодовой АБ заменяемые электромеханические устройства КАБ изымаются, на место БС-ДА устанавливается блок ПД-КЭБ, а на место КПТШ _ блок ГК-КЭБ. К розеткам других изъятых приборов подключается жгут с соответствующими заглушками и перемычками. Время переключения сигнальной установки с кодовой АБ на КЭБ _ не более 10 мин.

Возможен также вариант полной замены шкафа кодовой АБ на шкаф КЭБ-1 с новым монтажом.

Кодовая автоблокировка на электронной элементной базе

КЭБ-2

Автоблокировка типа КЭБ-2 является дальнейшим развитием системы КЭБ-1, реализована на основе микропроцессорной техники и замещает всю релейно-контактную аппаратуру кодовой АБ.

Оборудование КЭБ-2 размещается в малогабаритных шкафах сигнальной точки ШСТ и включает в себя:

блок электронных устройств сигнальной точки БУСТ;

приборы перегонных рельсовых цепей (трансформаторы, дроссели и др.);

приборы защиты от грозового разряда или коммутационных перенапряжений.

Блоки БУСТ и монтаж шкафов ШСТ являются универсальными, что удобно как при производстве аппаратуры, так и при ее эксплуатации. Настройка БУСТ в сигнальных установках разных типов осуществляется при помощи перемычек.

В блоке БУСТ предусмотрен контроль исправности нитей всех светофорных ламп, наличия основного и резервного питания сигнальной точки, измерение уровня сигнала в РЦ. Эта информация, а также информация о состоянии ограждаемого БУ, установленном направлении движения и виде кодовых сигналов в РЦ отображается в релейном шкафу и передается на станцию в устройства диспетчерского и технологического контроля.

Кроме того, в состав КЭБ-2 входят станционные устройства, размещаемые на стативе:

электронный блок станционных устройств БСУ;

приборы перегонных РЦ, примыкающих к станции;

устройства защиты.

Блоки БСУ тоже являются универсальными и обеспечивают увязку КЭБ с релейными и микропроцессорными системами электрической централизации. Для организации автоматизированных рабочих мест в системах диспетчерского контроля блок БСУ стыкуется с компьютером по стандартному интерфейсу RS-232.

Схемы приборов КЭБ-1 и КЭБ-2 удовлетворяют требованиям к устройствам, ответственным за безопасность движения. Технический ресурс оборудования _ не менее 25 лет.

В Нормах технологического проектирования устройств автоматики и телемеханики на федеральном железнодорожном транспорте (НТП СЦБ/МПС_99), в Программе ускоренного технического и технологического перевооружения хозяйства СЦБ на период 2002_2005 гг., а также в Указаниях ГТСС от 20.03.01 системы КЭБ признаны прогрессивными и рекомендованы к внедрению при частичной реконструкции кодовой АБ на линиях 2-й и 3-й категорий.

Системы автоблокировки единого ряда на новой элементной базе

Системами СЦБ "Единого ряда систем и устройств для управления движением поездов" называют системы железнодорожной автоматики нового поколения на электронной и микропроцессорной технике с использованием современных методов кодирования, модуляции и обработки данных. Характерной чертой этих систем является унификация схемных и конструктивных решений, то есть использование общих принципов построения устройств различного назначения. Системы единого ряда разрабатываются группой ученых МИИТ под руководством академика Лисенкова В.М. В процессе разработки и совершенствования систем автоблокировки были созданы системы микропроцессорной числовой кодовой автоблокировки АБ-ЧКЕ, микроэлектронные системы АБ-Е1 и АБ-Е2, унифицированная система АБ-УЕ. Каждая последующая модификация этих систем использует наиболее эффективные технические решения предыдущих устройств и является более совершенной за счет исключения недостатков, вскрытых в процессе испытаний и эксплуатации этих устройств, а также за счет накопления опыта разработки микроэлектронных и микропроцессорных систем СЦБ. Поэтому далее рассматриваются особенности каждой модификации систем АБ единого ряда по сравнению с предыдущими разработками.

Микропроцессорная числовая кодовая автоблокировка АБ-ЧКЕ

Приборы каждой сигнальной установки АБ-ЧКЕ включают в себя:

микропроцессорный путевой приемник МПП-ЧКЕ;

сигнальные реле Ж, ЖЗ, З;

устройства согласования и защиты аппаратуры РЦ.

Путевой приемник МПП-ЧКЕ состоит из двух каналов обработки информации и интерфейсного модуля. Оба канала находятся в рабочем состоянии, но для работы АБ используются выходы только одного (ведущего) канала.

Каждый канал путевого приемника содержит два узла центрального процессора и схему контроля, которая непрерывно сравнивает состояния контрольных точек этих процессоров.

Центральные процессоры производят демодуляцию и декодирование принятых сигналов числового кода, а также формирование кодовых сигналов для передачи к предыдущей сигнальной установке. Процедуры контроля освобождения РЦ и демодуляции сигнала построены таким образом, что ложное срабатывание от импульсной помехи или при кратковременной потере шунта исключено. Кроме того, в программном обеспечении микропроцессоров предусмотрен адаптивный алгоритм обработки сигналов, который обеспечивает автоматическую регулировку порога обнаружения поездного шунта и коэффициента возврата приемника при изменении сопротивления балласта. В основу такого алгоритма положен метод поиска разладки случайного процесса (положительная или отрицательная разладка возникает при освобождении или занятии рельсовой линии подвижной единицей).

Интерфейсный модуль выполняет следующие функции:

переключение выходов каналов обработки информации при неисправности ведущего канала;

контроль передаваемых кодовых комбинаций;

контроль целостности нитей ламп светофора;

сопряжение с устройствами диспетчерского контроля.

Кроме того, в состав интерфейсного модуля входит бесконтактный коммутатор тока для модуляции и передачи кодовых сигналов и усилители мощности для включения сигнальных реле.

При рассогласовании работы центральных процессоров ведущего канала схема контроля воздействует на интерфейсный модуль, который переключает каналы и задействует выходы второго канала.

Схемы АБ-ЧКЕ собраны на типовых элементах замены, что в сочетании с индикацией неисправных узлов обеспечивает быстрое восстановление АБ при отказах.

Система АБ-ЧКЕ обладает следующими достоинствами по сравнению с традиционной АБ числового кода:

более высокая надежность и долговечность;

расширенные функциональные возможности;

повышенная помехозащищенность рельсовых цепей и устойчивость их работы в условиях воздействия дестабилизирующих факторов;

снижение энерго- и материалоемкости оборудования;

уменьшение затрат на содержание устройств.

В отличие от КАБ система АБ-ЧКЕ обеспечивает четырехзначную сигнализацию за счет расшифровки всех трех предусмотренных кодовых сигналов.

Система АБ-ЧКЕ позволяет производить модернизацию кодовой АБ путем поэтапной замены релейных шкафов и была рекомендована Программой ускоренного технического и технологического перевооружения хозяйства СЦБ для оборудования железнодорожных линий 2-й и 3-й категорий.

Микроэлектронная система автоблокировки АБ-Е1

Система АБ-Е1 характеризуется следующими особенностями: