CC BY
11
УДК 656.257:156.25
Чепцов М.М., к.т.н., доцент (Дон1ЗТ) Хшобокова С.С., шженер (Дон1ЗТ)
ФУНКЦ1ОНАЛЬНА МОДЕЛЬ БЛОКУ СТР1ЛКИ СИСТЕМИ М1КРОПРОЦЕСОРНО1 ЦЕТРАЛ1ЗАЦ11
Вступ, аналiз до^джень та публжащй, постановка задачь
Еволющя систем централiзащl пройшла складний шлях розвитку вщ механiчних, створених наприкiнцi дев'ятнадцятого сторiччя, до сучасних мiкропроцесорних, але найдовший перiод !х розвитку пов'язаний з розробкою та подальшим удосконаленням релейних систем електрично! централiзацil (ЕЦ). При цьому простежувались два основних напрямки: по-перше це синтез лопчних умов забезпечення безпеки руху, по-друге -розробка вщповщно! елементно! бази та схемних ршень. Такi процеси привели к створенню блоково! системи централiзацil (БМРЦ) [1], яку справедливо назвати вершиною еволюцшного розвитку релейних систем.
БМРЦ влучно поеднала гнучк проектш рiшення, вiдпрацьованi методи впровадження та технологда обслуговування. До дев'яностих роюв минулого сторiччя ця система повшстю вiдповiдала експлуатацiйним вимогам, але сьогодення висувае умови, як вона не в змозi задовольнити.
Так, використання БМРЦ виявило ïï недостатню швидкодiю в умовах значного зменшення мiжпоïзного iнтервалу i цей факт став основним стимулом впровадження мжропроцесорних систем централiзацiï (МПЦ) у вггчизняних метрополiтенах [2]. Але основною причиною вщмови вiд застосування релейних систем у сучасних умовах е значне подорожчання енергоносив та кольорових металiв, необхщних для виготовлення елеменлв та пристроïв. З iншоï сторони, свггова тенденцiя зменшення вартостi мшропроцесорних складових значною мiрою стимулюе розробку МПЦ i в дшсний час вщбуваеться пошук ефективних технiчних та програмних засобiв ïx створення.
Модершзащя систем електрично1' централiзацiï з використанням комп'ютерно1' теxнiки почалась з пристро1'в маршрутного набору, що обумовлено не занадто високими вимогами щодо забезпечення безпеки функщонування цiеï складово1' ЕЦ [3, 4]. В дшсний час при створенш мшропроцесорного маршрутного набору не виникае принципових питань, яю потребують наукового вирiшення, але проблема синтезу виконавчо1' групи та пристро1'в керування напiльними об'ектами централiзацiï неоднозначна. В першу чергу це пов'язано з необхщнютю дотримання вимог забезпечення функщонально1" безпеки, нормативш показники яко1' регламентовано у вiтчизняниx та закордонних стандартах [5, 6].
Слщ зазначити, що у свгговш практицi основним методом мiнiмiзацiï ймовiрностi виникнення небезпечних вщмов МПЦ е застосування структурно:' надлишковюп за рахунок резервування апаратних та програмних засобiв. Це характерно для систем, створених у рамках Свропейського проекту ERTMS/ETCS [7]. Подiбнi пiдxоди використано компанiею Alcatel SEL у МПЦ ESTW L90, якою обладнаш залiзницi 1спан^ [8], Ггали [9], Фiнляндiï [10]. У системi ALISTER (Швейцарiя) з метою виконання вимог щодо забезпечення функцiональноï безпеки реалiзовано метод диверсифiкацiï вiдносно апаратних i програмних засобiв [11]. Аналопчш принципи побудови виконано в МПЦ SIMIS IS, яку впроваджено на залiзницяx Швейцар^ [12] та Польшд [13]. До перерахованого слiд додати системи Ebilock 950 [14], МПЦ-И [15] де використовуеться дублювання техшчних засобiв, та МПЦ ESTW L90 5 [16], МПЦ1, МПЦ2 [17], МПЦ МПП САТЭП [18] з мажоритарним методом резервування.
Узагальнюючи свiтовий досвщ створення мiкропроцесорних систем централiзацiй слщ вiдзначити вiдсутнiсть единих методiв забезпечення функцюнально! безпеки. Кожна фiрма виробник розробляе власш апаратнi та програмш засоби, причому як правило, вони е ноу-хау виконавця i не шдлягають публжаци. С другого боку, анаиз доступно! шформацп показуе, що процес синтезу МПЦ знаходиться у сташ становлення i тому розробка нових наукових пiдходiв щодо функцюнальносл та методiв забезпечення безпеки е досить актуальним напрямом дослiджень.
Так, у робот [19] запропоновано модель безпечного функцюнального елементу (БФЕ), структуру якого наведено на рис. 1. БФЕ складаеться з приймача сигналу fin(t) з частотною модулящею (ПР), амплiтудного селектору (АС) та вихщного генератору (Г).
Сигнал /ош(!) на виходi елементу з'являеться тiльки у випадку знаходження у необхщних межах апрюрно вiдомих ознак вхiдного сигналу.
Рисунок 1 - Структура безпечного функцюнального елементу
Загальний вигляд анал^ично! залежност мiж вхiдним та вихiдним сигналом, яку реалiзуе модель функцiонування БФЕ, наступний [19]:
1оШ (г) =
1п+т
1п+т
-кФ2( / \&(Ф1(Лп(г))\Л)
кФ2( ¡\0(Ф1ШО№)е
8т(®ог +вта:£т(, (1)
де Ф1, Ф2 - функци цифрово! фшьтраци несучо! частоти та частоти модуляци вiдповiдно;
\ - функцiя частотного детектування сигналу; к - коефщент ампл^уди АС; со0 - частота несучо!;
в
- iндекс модуляцil;
г
п
г
п
тах
О - частота модуляци.
У роботi [19] наведенi приклади ре^заци залежностей, якi у застарших системах виконувалися на реле першого класу надiйностi. З оглядом на те, що у БМРЦ реалiзовано всi необхiднi для роботи станцшно! централiзаци залежностi, причому ця система досить устшно пройшла витримку часом, пiдтверджуючи безпеку свого функщонування, логiчно орiентуватися на методи 11 побудови при синтезi мiкропроцесорних складових.
Таким чином цтлю статтЬ е розробка моделi функцiонального вузлу мжропроцесорно! централiзащl - блоку стрiлки за критерiем мiнiмуму ймовiрностi виникнення небезпечних вщмов.
Основный матер1ал. Як вiдомо [1], у системi БМРЦ виконавча група призначена для управлшня напiльним обладнанням системи централiзащl та забезпечення безпеки. У зв'язку з цим, у схемних ршеннях використовуються тiльки реле I класу надшность Функцiонально схеми можна роздшити на двi частини - схеми, як забезпечують перевiрку умов безпеки i виконання заданого алгоритму функщонування (лопка централiзацil), та схеми безпосереднього управлшня виконавчими пристроями: стршками, свгглофорами та лампами табло. Слщ зазначити, що i при формуванш команд на включення цих об'екпв також перевiряються основнi лопчт умови безпеки. Тобто в системi iснуе три рiвня перевiрки: на еташ завдання маршруту, де перевiряеться коректнiсть дiй персоналу, у схемах лопки централiзацil та у схемах включення об'екпв управлiння, в основному це напшьне обладнання.
Схеми лопки централiзацil мають вiсiм кiл, з них 7 та 8 - кола щдикацй. Кола будуються згiдно плану станцп, являючи собою своерiдну електричну модель колiйного розвитку станцil. Кожне реле та контакт сшввщносяться до конкретного елемента колшного розвитку або лопчно! умови безпеки. Основнi кола юнують у межах по!зних маршрулв, включаючи всi можливi маневровi, яю е коротшими.
Основне призначення блоку стршки (рисунок 2) - перевiрка умов безпеки руху стосовно положення стршок за рахунок комутацil вщповщальних електричних кiл [20]. Фактичний стан стршок, що входять в маршрут, перевiряеться фронтовими та тиловими контактами стршкових контрольних реле ПК, МК. Крiм цього, контактами реле ВЗ перевiряеться наявнiсть крайнього положення стршок, стан охоронних стршок, негабаритних секцш, вщсутнють мiсцевого управлiння [1].
Рисунок 2 - Схема блоку стршки
Розглянемо структуру блоку стршки (рисунок 3), яка розроблена на основ! метод1в, запропонованих у робот [19]. Так, у блощ передбачаеться чотири аналогових канали вводу { два виводу. Призначення першого -прийом сигнал1в з кола, що з'еднуе блоки виконавчо! групи. В залежност1 вщ стану системи в кожний момент часу на цьому вход1 присутня сума сигнал1в:
пп(г) , (2)
i=1
де - сигнали з частотною модулящею, за рахунок яких
перевiряються необхiднi умови безпеки у маршрут та вмикаються вщповщш виконавчi пристро!.
Рисунок 3 - Функцюнальна структура блоку стршки
Виходи генераторiв 1Г1 - 1Г6 та 2Г1 - 2Г6 об'еднаш по схемi додавання:
(г) = I(г) та ЛГ (г) = I f2г] (г). (3)
з =1 з =1
Несуча та частота модуляци генераторiв, пiдключених до виходiв
гоШ /+\ гоШ /+ \ ■ ■ ■
Л1 (г) та Л2 (г) однаковi i спiвпадають з параметрами вщповщними вхiдних сигналiв fi(t), але амплiтуда кожного коливання визначаеться елементом мультиплшаци (МиЬ). На три входи кожного з таких елементв подаються сигнали з вщповщних амплiтудних селекторiв, тобто
f1 Г 1(г) = ХАС 1(г) ■ ХАСПК (г) ■ ХВЗ (г) ■ ^п(®1* +втах^<п&1г)) , Л Г 2 (г) = ХАС 2 (г) ■ ХАСПК (г) ■ ХВЗ (г) ■ ^п( ® 2г +в тах^п( &2г)) ,
Л Г1(г) = ХАС1(г) ■ ХАСМК (г) ■ ХВЗ (г) ■ ^п( ®1* +в тах^п( &1г)) ,
(4)
де ХаС 1(г), ХаС2(г), .. - вихщш сигнали амплггудних селекторiв (АС1 - АС6);
Хасш (г) та ХаСМК (г) - вихщш сигнали селекторiв контролю плюсового та мшусового положень стрiлки (АС ПК та АС МК);
Хвз (г) - вихщний сигнал селектору контролю взрiзу стрiлки (АС
ВЗ).
Таким чином сигнал на виходу Л°ии(г) або Л°ии(г) з'явиться тшьки у випаду виконання наступних умов забезпечення безпеки:
- стршка, мжропроцесорне контрольне коло яко! пiдключено до
входу Л12п (г) , знаходиться у вщповщному положенш;
- перевiряеться стан негабаритних дшьниць, положення охоронних
стрiлок, е наявшсть контролю власно! стрiлки (входи Л3п (г), Л14п (г));
- на колах 1 - 6 вщповщально! групи е сигнали Л1(г) - Л6(г) .
Крiм цього у блощ стрiлки (див. рис. 3) передбачено формування
дискретно! шформаци про стан стршки оигщ елементом ГД1, що
необхщно для пiдсистем мiкропроцесорного маршрутного набору та вщображення iнформацi!.
Анал1з математичног модель Розглянемо модель (1) - (4) на вщповщшсть цшьовш функци:
Qh (t) ® min, (5)
де Qh (t) - ймовiрнiсть виникнення небезпечно! вiдмови.
Так, кероваш змiннi, обмеження, множина рiшень та вщповщшсть функци (5) моделi безпечного функщонального елементу з одним вхщним та одним вихiдним сигналом визначено у робот [19]. Але в структуру моделi блоку стршки введено елементи мультиплшаци (MUL), тому доцшьно провести аналiз ix функцiонування методом оцшки безпеки функцiонування одного з виразiв (4). Узагальнивши результати можна зробити висновок про вщповщшсть функци (5) всiei моделi тому, що кожен з виразiв у (4) вщрiзняeться тiльки значеннями змiнниx.
Проаналiзуeмо модель елементу (MUL) при надходженш на його входи суми трьох сигналiв з наступними параметрами (рисунок 4):
- fn(t) = fin(t) + fin(t) + fin(t) ;
- fjn(t) = Aj sin(w1t +6maxsin(W1t)) , де w1 = 6911,5(рад/сек);
- f2n(t) = A2 sin(w2t +6maxsin(W2t)) , де w2 = 9424,8(рад/сек) ;
- f3n(t) = A3 sin(w3t +6maxsin(W3t)) , де = 13195,3(рад/ сек) ;
- W1 =W2 =W3 = 75,4(рад / сек), A1 = A2 = A3 = 1(В) .
АС1 —1 foJO
АС2 t| Г
АСЗ —
Рисунок 4 - Функщональна структура елементу мультиплшаци
Осцилограму сигналiв за перюд, який дорiвнюe 6 сек., наведено на рисунку 5. На протязi першоi секунди функщонування f2n(t) = 0 та
f3 (t) = 0, друго1 - /з (t) = 0. На третш секундi вхiдний сигнал /¡„(t) мiстить yci три необхiднi складовi i тшьки у цьому випадку з'являеться вихщний сигнал /out (t) .
Рисунок 5 - Осцилограми вхщного та вихщного сигналiв при функцiонуваннi елементу мультиплжацп
Пiсля третьо! секунди вхщний сигнал зникае. Вихiдний, з затримкою, приблизно рiвнiй 0,4 сек. також зменшуеться до нулю. Тобто функщональнють блоку мультиплшаци задовольняе необхiдним вимогам.
Подальшi дослiдження моделi виявили наступне:
- затухання поза смугою пропускання перевищуе 100 (ёБ);
- стшюсть до впливу статичних значень 1т(1) = 0 та 1т(1) = 1 досить висока i забезпечуеться динамiчним режимом роботи складових модел^
Висновки та практичм рекомендаци. Таким чином у робот представлено результати синтезу моделi функщонального вузлу мшропроцесорно! централiзацil - блоку стрiлки за критерiем мiнiмуму
ймовiрностi виникнення небезпечних вщмов у виглядi структури та математичних залежностей (1) - (4).
Слщ зазначити, що небезпечна вщмова може виникнути у випадку появи на виходах амплггудних селекторiв одиничного рiвня (див. рис. 4), але ця подiя унеможливлюеться за рахунок спецiальноi побудови програмного забезпечення при реал1заци моделi. Цьому сприяе те, що значення виxодiв АС е результатом промiжниx математичних обчислювань у виразi (1). При функцiонуваннi моделi у мiкропроцесорнiй системi цей результат з'являеться тшьки на протязi мш1мального промiжку часу, рiвному швидкоди обчислювальних засобiв. Ймовiрнiсть появи вiдмови у такий перюд практично дорiвнюе нулю.
Кр1м цього, у зв'язку з однаковими признаками основних параметрiв вхщних i виxiдниx сигналiв при реал1заци моделi необxiдно унеможливити ймовiрнiсть виникнення вщмови типу "пробш вxiд - вихщ" у теxнiчниx засобах. Шдходи варiантiв виконання блоку стрiлки наведено у робот [19].
Список лШератури
1. 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.
2. НВП "Залiзничавтоматика". Мшропроцесорна централiзацiя стршок i сигналiв. [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.rwa.com.ua/ua/works/id10.
- Заголовок з екрану.
3. Мкропроцесорна диспетчерська централiзацiя "КАСКАД" / М.1. Данько, В.1. Мойсеенко, В.З. Рахматов, В.1. Троценко, М.М. Чепцов: Навч. поабник. - Харюв, 2005.
- 176 С.
4. Методы построения безопасных микроэлектронных систем железнодорожной автоматики и телемеханики. Под ред. Сапожникова Вл.В. М: Транспорт, 1995. - 272 С.
5. ДСТУ 4178-2003. Комплекси техшчних засобiв систем керування та регулювання руху поiздiв. Функцшна безпечнють i надiйнiсть. Вимоги та методи випробування. Кшв. Держспоживстандарт Украши. 2003. - 31 С.
6. Сертификация и доказательство безопасности систем железнодорожной автоматики. Под ред. Сапожникова Вл.В. М: Транспорт, 1997. - 288 С.
7. Вояновски Э. Испытания новых систем управления движением поездов в рамках проекта ERTMS // Железные дороги мира. - 1998. - №12. с. 48 - 53.
8. J. del Valle Alvares, Signal und Draht, 2000, N4, S. 21- 24.
9. M. Schaal (Alcatel SEL). Signal und Draht. 1998, N 7/8, S. 20 - 22.
10. P. Böhm, J. Janle. Signal und Draht, 2000, N 6, S. 26- 29.
11. C. Trog, G. Gatenfjord. Signal und Draht, 2002, № 5, S. 18 - 22.
12. A. Waldvogel, P. Ledergerber-Jeker. Signal und Draht, 2005, № 6, S. 34 - 38.
13. S. Schubath, U. Grotheer. Signal und Draht, 2002, № 6, S. 27 - 31.
14. Лекута Г. Ф. Микропроцессорная централизация на железных дорогах России // Железные дороги мира. - 2003. - № 5. - С.63-69.
15. Тильк И. Г., Ляной В. В., Абакумов М. В. Система микропроцессорной централизации МПЦ-И // Железные дороги мира. - 2007. - №1. - С. 63 - 66.
16. Böhm P.,Janle J. Das Elektronische Stellwerk ESTW L90 5 Einsatz auf der Strecke Kouvola - Pieksämäki in Finnland // Signal und Draht. - 2000, №6, Р. 26- 29.
17. Павлов Л.Н., Орехов А.В. Российские микропроцессорные системы на железнодорожном транспорте // Наука и транспорт. - 2007. - С. 40 - 45.
18. СЦБ и компьютерные технологии на промышленном транспорте: (Ассоциация «УКРВЕДТРАНС» г. Кривой Рог. 20.02.2007 - 21.02.2007г.) [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://satep.com.ua/index.php?id=32. - Заголовок з екрану.
19. Чепцов М.Н., Бойник А.Б. Синтез модели безопасного функционального элемента // 1нформацшно-керуючи системи на залiзничному транспорт. - 2008. - № 56. - С. 89-95.
20. Типовые проектные решения 501-0-98. Схемы маршрутной релейной централизации: МРЦ-13 (Альбом VI): Утверждены и введены в действие Главным Управлением сигнализации и связи МПС СССР с 30.07.78. - М., 1978.
