Размещено на http://www.allbest.ru/

Синтез моделі контролю стану секцій на основі безпечного функціонального елементу

Чепцов М.М., к.т.н., доцент, докторант (УкрДАЗТ)

Аналіз досліджень та публікацій. Контроль стану секцій при встановленні маршруту та замиканні стрілок є однією з найбільш відповідальних функцій мікропроцесорних централізацій [1]. У результаті аналізу сучасних та перспективних систем виявлено, що з метою забезпечення необхідних показників безпеки реалізація цієї функціональності виконується на основі використання структурної надлишковості - резервування програмних та апаратних засобів [2]. З іншого боку, у тому чи іншому вигляді при синтезі мікропроцесорних централізацій орієнтуються на підходи, які властиві релейним системам, у яких за багаторічний період їх експлуатації та постійного удосконалення ймовірність виникнення небезпечних відмов зведена до мінімальних значень [3].

Так у блоковій маршрутно-релейній централізації (БМРЦ) для контролю стану секцій при встановленні маршруту та формуванні команди на їх замикання, передбачено перше коло виконавчої групи - контрольно-секційні реле (КС) [4]. КС встановлюються на кожну ізольовану секцію у блоках СП та УП, прийомно-відправну колію у блоці П, а також на кожний світлофор у блоках ВД, МI, МII, МIII [5].

У початковому стані реле КС вимкнені, збуджуються при встановленні маршруту, утворюючи перше коло виконавчої групи. Реле знеструмлюються при невиконанні хоча б однієї умови безпеки, які перевіряються у цьому колі:

1. Вільність секцій, які входять до маршруту. Перевіряється контактами повторювачів колійних реле СП у блоках СП.

2. Вільність дільниць маршруту. Перевіряється контактами повторювачів колійних реле П у блоках УП. Для забезпечення можливості встановлення маневрового маршруту на зайняту дільницю, паралельно контакту реле П встановлено контакт кінцевого маневрового реле КМ.

3. Наявність крайнього положення стрілок, стан охоронних стрілок, негабаритних секцій, відсутність місцевого управління стрілками. Перевіряється контактами реле ВЗ у блоках С.

4. Фактичне положення стрілок, що входять у маршрут. Перевіряється фронтовими та тиловими контактами контрольних реле стрілок ПК, МК у блоках С.

5. Відсутність розмикання маршруту. Перевіряється контактами реле Р у блоках СП та УП.

6. Відсутність встановлених ворожих маршрутів в горловині станції, де встановлюється маршрут. Перевіряється тиловими контактами початкових реле Н, ОН та кінцевих маневрових реле КМ у блоках ВД, МI, МII, МIII.

7. Відсутність встановлених ворожих, лобових поїзних і маневрових маршрутів з протилежної горловини станції на одну приймально-відправну колію. Перевіряється фронтовими контактами реле ЧИ та НИ у блоках П. Лобові маневрові маршрути на одну колію не є ворожими, тому контакт реле ЧИ шпунтується послідовно включеними контактами кінцевих маневрових реле НКМ та ЧКМ (Блоки П).

8. Встановлення правильного напрямку руху в маршрутах відправлення на перегін, який обладнано двостороннім автоблокуванням. Перевіряється фронтовим контактом реле зміни напрямку руху НСН або ЧСН.

В маршруті реле КС з'єднуються послідовно. У початковому стані, коли маршрут не встановлено, обмотки реле КС дільниць і колій з'єднані між собою, в обидва кінця цього кола подається мінусовий полюс живлення, при цьому контрольно-секційні реле сигналів від цього кола відключені контактами початкових реле.

При встановленні маршруту в коло реле КС з набірної групи, через контакт протиповторювального реле, подається живлення. Якщо виконуються перелічені умови безпеки, то після встановлення під струм початкового реле спрацьовують реле КС. Контактами контрольно-секційних реле розмикається коло самоблокування маршрутних реле М1 та М2, вони знеструмлюються і замикають дільницю в маршруті.

У штатному режимі роботи знеструмлення реле КС відбувається після вступу потягу на маршрут при занятті першої дільниці (розмикання контакту колійного реле П або СП).

Постановка задачі дослідження. Узагальнюючи викладене, сформулюємо ціль дослідження - синтез моделі контролю стану секцій на основі безпечного функціонального елементу за критерієм мінімуму ймовірності виникнення небезпечних відмов, адаптовану для подальшого впровадження у програмно-апаратні засоби мікропроцесорної централізації.

Виклад основного матеріалу. Розглянемо структуру мікропроцесорної централізації (рисунок 1), у якій, як і у релейних системах, реалізовано чотири рівня перевірки умов безпеки [4, 5]:

1) на етапі завдання маршруту, де перевіряється коректність дій персоналу;

2) при виконанні встановленого алгоритму функціонування;

3) при формуванні команд керування пристроями (стрілками, світлофорами);

4) у процесі виконання відповідальних команд.

Так, до рівня завдання маршруту пред'являється нижчий, перший рівень умов забезпечення безпеки [6], тому у структурі технічних засобів централізації його реалізація передбачається на основі стандартних комп'ютерних засобів промислового використання. Окрім ПОЕМ, до складу пристроїв цього рівня повинні входити:

- мережне обладнання, необхідне для організації інформаційного обміну;

- пристрій обробки сигнальної інформації (ПОСІ);

- формувач адреси приймача та передавача сигналів (ФА);

- комутатор аналогових сигналів (АК), який забезпечує інтерфейс з відповідальними пристроями.

У свою чергу кожен з об'єктних модулів цифрової обробки сигналів (МЦОС) з'єднаний з АК та підключений до міжмодульної чотирьохдротової лінії зв'язку (ЛЗ1, ЛЗ2). Її призначення - організація взаємодії між МЦОС. Якщо провести аналогію з системою БМРЦ, то лінії зв'язку виконують задачі, подібні функціям ланцюгів з'єднання блоків виконавчої групи. При встановленні та реалізації маршрутів до ЛЗ1 та ЛЗ2 надходять сигнали з частотною модуляцією й апріорно встановленими параметрами. Кожен задіяний у цьому процесі модуль аналізує вхідні сигнали, виконує властиву йому функціональність та генерує сигнал до суміжного МЦОС або до аналогового комутатору.

Рисунок 1 - Структура технічних засобів мікропроцесорної системи централізації

Рівень пристроїв керування напільним обладнанням представлено програмно-апаратною реалізацією моделей: рейкових кіл [7]; стрілок [8]; світлофорів [9].

Таким чином, структура технічних засобів системи централізації за рівнем забезпечення безпеки та функціональним призначенням підрозділяється на три рівня: набірна група (комп'ютерні засоби та аналоговий комутатор), виконавча група (МЦОС) та пристрої керування напільним обладнанням.

При встановлені маршруту, після переводу стрілок у необхідне положення та перевірки відповідності їх положення, у програмно-апаратних засобах набірної групи починається генерація частотно-модульованого сигналу:

, (1)

з апріорно визначеними параметрами: - частоти несучої; - індекс модуляції; - частота модуляції; - амплітуда.

Крім цього, набірна група встановлює адресу світлофорного модулю, від якого встановлюється маршрут. Як приклад, на рисунку 1 зображено модуль вихідного світлофору МЦОС-ВДІ.

Надходження сигналу до МЦОС приводить до виконання програмно-апаратними засобами функціональності, яку представлено у вигляді моделі, що складається з структури (рисунок 2) та аналітичних залежностей.

(2)

де , - функції цифрової фільтрації несучої частоти та частоти модуляції відповідно;

- функція частотного детектування сигналу;

- коефіцієнт амплітудного селектору АСн;

- час інтегрування амплітудного селектору [2].

Вираз, у відповідності до якого функціонує приймач сигналу та амплітудний селектор АСз аналогічний (2), з урахуванням власних значень керованих змінних, функцій цифрової фільтрації та частотного детектування.

Елементи мультиплікації функціонують у відповідності до наступних виразів:

, (3)

, (4)

У свою чергу, сигнал з'являється у випадку наявності на входах елементу додавання АДДн хоча б одного з вихідних сигналів елементів мультиплікації:

, (5)

де - коефіцієнт, який враховує відмінність від нуля значення сигналів у чисельнику виразу (5), множина його значень - {1; 1,5}, при наявності двох або одного сигналів відповідно.

мікропроцесорний централізація приймач сигнал

Рисунок 2 - Функціональна структура моделі фіксації надходження сигналу на встановлення поїзного маршруту з перевіркою незамкнутого стану першої дільниці за світлофором

Функціонування генератора відповідає наступному рівнянню:

, (6)

де перший множник визначає амплітуду частотно-модульованого сигналу з частотою несучої та частотою модуляції .

Ілюстрацію функціонування моделі (1) - (6) представлено на рисунку 3 у вигляді осцилограм напруг на входах та виходах відповідних елементів.

Рисунок 3 - Осцилограми напруг на виходах структурних елементів

У проміжок часу від до на вході присутній сигнал , який надходить з модулю суміжної секції при її незамкненості у маршруті. При цьому виходи відповідних амплітудних селекторів мають наступні значення: та . Так, як перший множник у виразі (3) дорівнює нулю, то й вихід елементу мультиплікації MULн1 також нульовий, тобто модель знаходиться у початковому стані, встановлення маршрутів відсутнє.

У момент часу з набірної групи починає надходити сигнал встановлення поїзного маршруту від цього світлофору й у проміжку від до на вході присутній сумарний сигнал . Це приводить до зміни значення із затримкою, яка встановлюється часом інтегрування амплітудного селектору АСн, відповідно до виразу (2). Вихід елементу MULн1, що випливає з виразу (3) також прийме значення , як і вихідний сигнал елементу додавання , у відповідності до (5).

Генератор Гпн починає роботу, формуючи сигнал (6), який подається на приймач ПРпн та амплітудний селектор АСпн, при цьому . Таким чином вихідний сигнал моделі стає приблизно рівним одиниці, фіксуючи факт появи сигналу на встановлення маршруту.

При секції замикаються у маршруті зникає сигнал , як і . Це приводить до змін на нульове значень , але, у відповідності до (5), з'являється сигнал на виході елементу мультиплікації MULн2 за рахунок зворотного амплітудного селектору 1-АСз. Цей сигнал та вихід АСпн підтримують одиничне значення вихідного сигналу до моменту часу , коли суміжна секція розмикається у результаті прослідування рухомої одиниці за маршрутом. Модель (2) - (6) приходить у початковий стан.

Аналогічну функціональну модель передбачено для фіксації надходження сигналу на встановлення маневрового маршруту. Обидві моделі структурно об'єднуються за схемою додавання з метою формування загального початкового сигналу:

. (7)

З урахуванням побудови кола КС у системі БМРЦ, коли в її початок з набірної групи подається плюс живлення, а у кінець - мінус, чим перевіряються умови безпеки по всім об'єктам, які входять у маршрут, синтез міжмодульного зв'язку повинен виконуватись подібним чином. Але, з урахуванням [10], для забезпечення функціональної безпеки необхідно передбачити динамічний режим роботи усіх складових відповідальної групи, що входять у маршрут. Тому міжмодульна взаємодія повинна бути організована сигналами, які безперервно змінюються у часі. Найбільш доцільно у такій ситуації використовувати частотно-модульовані сигнали.

У зв'язку з цим метод функціонування моделей контролю секцій передбачає наступну організацію взаємодії між модулями МЦОС виконавчої групи (рисунок 4).

Рисунок 4 - Ілюстрація організації взаємодії між модулями виконавчої групи

При встановлені маршруту у набірній групі формуються сигнали , та адреси модулів початку та кінця маршруту відповідно. За результатами перевірки умов безпеки у модулі починають роботу відповідні генератори, що формують сигнали до наступних, за планом розміщення модулів, МЦОС. З останніх модулів сигнали подаються у набірну групу, де відбувається контроль їх проходження. Таким чином, функціональні блоки КС, які містяться у відповідних модулях, переходять у активний стан тільки у випадку перевірки всіх умов безпеки, як з однієї частини з'єднання, так і з іншої.

Так, наприклад, модель функціонування контролю секцій у модулі вихідного світлофору МЦОС-ВДІ, складається з наступних структурних елементів (рисунок 5):

- приймачів ПР+КС, ПР-КС частотно-модульованих сигналів , відповідно;

- амплітудних селекторів АС+КС, АС-КС;

- зворотного амплітудного селектору сигналу відміни маршруту 1-АСОТ;

- амплітудних селекторів АСОН, які формують сигнали у відповідності до виразу (7);

- елементів додавання ADD та мультиплікації MUL;

- генераторів вихідних сигналів Г+КС, Г-КС.

Вихідний сигнал моделі з'явиться тільки у випадку ненульових сигналів з виходів структурних елементів АС+КС, АС-КС у відповідності до виразу:

. (8)

У свою чергу складові чисельника цього рівняння - виходи відповідних амплітудних селекторів, які, у сукупності з ПР+КС та ПР-КС, приймають сигнали внутрішніх генераторів Г+КС, Г-КС.

Функціонування генератору Г+КС відповідає наступному рівнянню:

, (9)

а генератору Г-КС:

. (10)

З рівнянь видно, що вони відрізняються першим множником, який забезпечує амплітуду сигналу, а також значеннями частот несучої та модуляції.

Рисунок 5 - Структура моделі контролю стану секцій модулю вихідного світлофору МЦОС-ВДІ

Генератор Г+КС починає роботу при появі на вході модулю сигналу з урахуванням умов: та , тобто відсутності відміни і наявності сигналу на встановлення поїзного або маневрового маршруту, у відповідності до (7). Після замикання секцій сигнал стає рівним нулю, але генератор Г+КС продовжує функціонувати до моменту зникнення сигналу за рахунок власного сигналу, який після обробки подається на елементи MULКС2+ та ADDКС+ .

Як випливає зі структури технічних засобів (див. рисунок 1) та з урахуванням розробленої організації взаємодії між модулями виконавчої групи (див. рисунок 4), перевірка умов забезпечення безпеки при встановлені маршруту в частині перевірки стану секцій, виконується двома сигналами та . Останній з них подається до модулю МЦОС, який відповідає кінцю маршруту. Проходячи по модулях, при відповідності умов забезпечення безпеки, сигнал поступає на модуль світлофору, від якого встановлюється маршрут. У структурі моделі модулю вихідного світлофору МЦОС-ВДІ (див. рисунок 5) цей сигнал обробляється елементами ПР-КС та АС-КС. Якщо параметри відповідають апріорно встановленим, то . Тоді, відповідно до виразу

(11)

сигнал приймає значення , забезпечуючи, у відповідності до (10), амплітуду сигналу .

Таким чином у моделі контролю стану секцій модулю вихідного світлофору МЦОС-ВДІ (2) - (11) забезпечується тільки при умові постійної перевірки умов безпеки при встановленні маршруту. Якщо хоча б одна з перерахованих вище умов не виконується, то зникає один або обидва сигнали , в наслідок чого стає рівним нулю.

Розглянемо обробку та проходження сигналів по інших модулях виконавчої групи.

Так, у модулі стрілки МЦОС-С, функціональна модель та структуру якого розглянуто у роботі [11], , на відповідних виходах з'являться тільки при виконанні наступних умов забезпечення безпеки:

- стрілка має контроль і знаходиться у положенні, що відповідає маршруту, який встановлюється;

- стан негабаритних дільниць, положення охоронних стрілок відповідає необхідному.

Структура модулів управління вхідним світлофором МЦОС-ВхД та вихідними світлофорами МЦОС-ВДII, МЦОС-ВДIII практично не відрізняється від розглянутої, тому проходження сигналів та моделі функціонування контролю стану секцій аналогічні.

У модулях управління маневровими світлофорами - МЦОС-МI, МЦОС-МII, МЦОС-МIII, відрізняється від розглянутої тільки функціональна структура та модель фіксації надходження сигналу на встановлення маршруту з перевіркою незамкненого стану першої дільниці за світлофором (див. рисунок 2). Це пов'язано з відсутністю можливості встановлення поїзного маршруту, як наслідок, у структурі замість елементів з індексами ПН присутні подібні з індексами Н. З урахуванням такої заміни модель функціонування модулів управління маневровими світлофорами буде відповідати виразам (2) - (6) та структурі, яку зображено на рисунку 2.

У модулі стрілочної дільниці МЦОС-СП перевіряються дві умови: її вільність та відсутність штучного розмикання. Структуру моделі контролю стану секцій у цьому модулі зображено на рисунку 6.

Рисунок 6 - Структура моделі контролю стану секцій модулю стрілочної дільниці МЦОС-СП

Амплітудний селектор АССП отримує сигнал з приймача ПРСП, який, у сою чергу, приймає та обробляє сигнал . Цей частотно-модульований сигнал з'являється на виході колійного модулю тільки у випадку вільності та цілісності рейкового кола [7].

Функціональні структури контролю стану секцій у модулях колійної дільниці МЦОС-УП та колії МЦОС-П відрізняються від розглянутої. Це обумовлено необхідністю виконання умов, пов'язаних з маневровими маршрутами.

Структура моделі модулю МЦОС-УП має наступний вигляд (рисунок 7).

Рисунок - 7 Структура моделі контролю стану секцій модулю дільниці колії МЦОС-УП

Так, якщо дільниця колії не є кінцевою у маршруті, що встановлюється, то елементом множення MULКС+ перевіряються наступні умови:

- наявність сигналу з попереднього модулю ;

- вільність рейкового кола (сигнал з приймача РК);

- дільниця колії не є кінцем маневрового маршруту з обох напрямків руху;

- немає розмикання дільниці.

Модель функціонування MULКС+ наступна:

 (12)

Якщо змінні у виразі (12) приймають наступні значення: , , , , , то , що обумовлює генерацію структурним елементом Г+КС у відповідності до (9).

Аналогічним чином обумовлено початок генерації Г-КС, але замість змінної у виразі (12) для елементу MUL-КС використовується змінна .

У випадку, коли дільниця є кінцем маневрового маршруту зі сторони надходження сигналу , то у модуль з набірної групи подаються сигнали та , після обробки першого з них приймачем ПР2КМ (на рисунку 7 не показаний) та амплітудним селектором АС2КМ, з'являється сигнал . Відповідно до (12) і генератор Г+КС вимикається, але на виході генератору Г-КС є сигнал, обумовлений ненульовими значеннями виходів MUL2КМ та ADD-КС, зі сторони кінця маневрового маршруту в лінію ЛЗ2 (див. рисунок 1) подається сигнал .

Слід зазначити, що у першому випадку, коли дільниця не останньою у маршруті, зникнення сигналу з колійного датчика приводить до зриву коливань обох генераторів, як Г+КС так і Г-КС. Але якщо дільниця є кінцем маневрового маршруту, то генератор Г+КС вимикається, а Г-КС ні. Це обумовлено необхідністю реалізації можливості встановлення маневрового маршруту на зайняту дільницю колії [4].

На відміну від розглянутих, у модулі колії МЦОС-П, окрім перерахованих вище умов безпеки, повинна бути реалізована функція виключення можливості встановлення лобових поїзних маршрутів на прийомо-відправну колію. Структура такої моделі представляє собою функціональний елемент генераторного типу ГНИ (ГЧИ), формування сигналу яким відбувається у разі незамкнутого стану секції, яка примикає до колії, або за рахунок власних коливань з перевіркою умови не встановлення маршруту (рисунок 8).

Рисунок 8 - Структура моделі виключення можливості встановлення лобових поїзних маршрутів на прийомо-відправну колію

Сигнал з виходу амплітудного селектору АСНИ використовується у моделі контролю стану секцій (рисунок 9). З урахуванням того, що два маневрових маршрути на прийомо-відправну колію не є ворожими, то у моделі контролю секцій сигнали та підключені до схеми додавання ADDНИ.

У зв'язку з тим, що у маршрутах прийому модуль колії є останнім у виконавчій групі, сигнал подається до аналогового комутатору АК (див. рисунок 1), завершуючи коло перевірки стану секцій. У свою чергу генератор Г-ЧКС формує сигнал и подає його у ЛЗ2 реалізуючи зворотну перевірку умов безпеки.

Рисунок 9 - Структура моделі контролю стану секцій модулю колії МЦОС-П

Узагальнення, висновки та практичні рекомендації

Таким чином у роботі представлено моделі контролю стану секцій у вигляді відповідних структур та залежностей (1) - (12). Моделі побудовані на основі безпечного функціонального елементу за критерієм мінімуму ймовірності виникнення небезпечних відмов і адаптовані для подальшого впровадження у програмно-апаратні засоби мікропроцесорної централізації.

На відміну від існуючих моделей функціонування систем керування стрілками та світлофорами, в яких використовуються логічні підходи, у роботі представлені результати синтезу на основі аналітичних залежностей між вхідними та вихідними сигналами. Такий метод побудови системи централізації зменшує ймовірність виникнення небезпечної відмови і дозволяє використовувати агрегатний підхід при проектуванні засобів автоматики.

Список літератури

1. Методы построения безопасных микроэлектронных систем железнодорожной автоматики и телемеханики. Под ред. Сапожникова Вл.В. М: Транспорт, 1995. - 272 С.

2. Чепцов М.Н. Синтез модели безопасного функционального элемента / М.Н. Чепцов, А.Б. Бойник // Інформаційно-керуючи системи на залізничному транспорті. - 2008. - № 5-6. - С. 89-95.

3. Сапожников В.В. Надежность систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Учебное пособие для вузов ж.д. трансп./ Вл.В. Сапожников, В.И. Шаманов; Под ред. Вл.В. Сапожникова. - М.: Маршрут, 2003. - 263 с.

4. Станционные системы автоматики и телемеханики: Учеб. для вузов ж.д. трансп. / Вл.В. Сапожников, Б.Н. Елкин, И.М. Кокурин и др.; Под. ред. Вл.В. Сапожникова. - М.: Транспорт, 1997. - 432 с.

5. Типовые проектные решения 501-0-98. Схемы маршрутной релейной централизации: МРЦ-13 (Альбом I-VI): Утверждены и введены в действие Главным Управлением сигнализации и связи МПС СССР с 30.07.78. - М., 1978.

6. ДСТУ 4178-2003. Комплекси технічних засобів систем керування та регулювання руху поїздів. Функційна безпечність і надійність. Вимоги та методи випробування. - Затв. та введ. 04.09.2003. - К.: Держспоживстандарт України. 2003. - 31 С.

7. Чепцов М.Н., Безопасность программного обеспечения приемника прямого преобразования тональных рельсовых цепей // Інформаційно-керуючи системи на залізничному транспорті, №1, 2007, С. 19-22.

8. Чепцов М.Н. Модель устройства контроля положения остряков стрелки / М.Н. Чепцов, А.Б. Бойник // Збірник наукових праць УкрДАЗТ. Випуск 102, Харків: Видавництво УкрДАЗТу, 2009, С. 201-209.

9. Чепцов М.М. Моделі пристроїв керування станційними світлофорами // Східно-Європейський журнал передових технологій. - 2009. - №3/8(39), - С. 20-24.

10. Чепцов М.Н. Метод синтеза программных моделей по критерию минимальной вероятности возникновения опасных отказов / М.Н. Чепцов, А.Б. Бойник // Інформаційно-керуючи системи на залізничному транспорті. - 2008. - № 4. - С. 115-119.

11. Чепцов М.М. Функціональна модель блоку стрілки системи мікропроцесорної централізації / М.Н. Чепцов, С.С. Хілобокова // Збірник наукових праць ДонІЗТ. Випуск 17, - Донецьк, 2008, С. 45-55.

Размещено на Allbest.ur