CC BY
115
СЙ&цетехнические и социальные проблемы
Современные технологии - транспорту
УДК 004.056.5
Д. А. Абрамов
ПРОГРАМНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЛЕКСА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕНТРАЛИЗАЦИИ НА БАЗЕ МИКРОЭВМ И ПРОГРАММИРУЕМЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ
Рассмотрена структура программного обеспечения микропроцессорного комплекса системы электрической централизации на базе микроЭВМ и программируемых контроллеров, описаны методы диагностирования программных и аппаратных средств комплекса технических средств управления и контроля.
микропроцессорная централизация, программное обеспечение, диагностика.
Введение
За последние десятилетия развитие компьютерных технологий в мире приобрело широкий размах. В наше время компьютеры применяются практически во всех областях человеческой деятельности, а некоторые области, такие как ядерная физика, астрономия, не смогут дальше развиваться без них. Железные дороги не стали исключением и начали активно применять компьютерные технологии в своих устройствах.
В настоящее время на сети российских железных дорог наблюдается процесс планомерного перехода от релейных электрических
централизаций (ЭЦ) к релейно-процессорным и микропроцессорным централизациям. Это происходит из-за того, что развитие релейных централизаций достигло своего пика, т. е. были достигнуты показатели надежности и безопасности, которые сложно увеличить без неоправданно высоких затрат на разработку, внедрение и эксплуатацию. Также релейные централизации не могут дать большой объем дополнительных функций, таких как протоколирование, защита от несанкционированного пользования пультом и многие другие возможности, которые могут дать компьютерные централизации.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
139
Для большинства механиков, обслуживающих компьютерные централизации, компьютерная часть системы - это «черный ящик» с кучей светящихся лампочек. Несмотря на то, что механик из проектной документации может узнать, какая лампочка что означает, какой блок в этом «ящике» за что отвечает, зачастую закрытость алгоритмов работы микропроцессорной части системы вызывает опасения не справиться с системой в случае отказа. Эти опасения, конечно, понятны, но не вполне обоснованны. Дело в том, что в «черном ящике» работает программное обеспечение, которое в процессе пусконаладки адаптируется к конкретной станции по средствам настроечных данных.
За счет современных способов хранения информации программа не может измениться сама по себе. То есть если во время пусконаладки все ошибки в микропроцессорном комплексе были исправлены, то во время его эксплуатации новых не появится. Максимум, что может случиться, -выйдет из строя какой-нибудь блок, например плата дискретного ввода, о чем тут же сообщит система диагностики, а за счет дублированной или даже троированной структуры микропроцессорного комплекса на технологическом процессе это никак не отразится.
1 Комплекс технических средств управления и контроля (КТСУК)
Комплекс технических средств управления и контроля является микропроцессорной частью электрической централизации на базе микроЭВМ и программируемых контроллеров (ЭЦ-МПК) и диспетчерской централизации (ДЦ-МПК). ЭЦ-МПК на сегодняшний день - один из наиболее ярких представителей семейства релейно-процессорных централизаций.
Релейно-процессорные централизации - это системы переходного периода, они появились в тот момент, когда были разработаны технические решения для применения компьютеров в системах железнодорожной автоматики, но не были готовы решения для применения микропроцессорных устройств в схемах, обеспечивающих безопасность движения поездов. В результате получилось, что релейнопроцессорная централизация имеет ощутимо большее количество функций по сравнению с просто релейной системой, например функциональное диагностирование и принятие решений по результатам диагностики, протоколирование, обмен информацией между пультом и рабочим местом дежурного по цифровому каналу, но при этом вся безопасность движения в такой системе осталась на традиционных релейных схемах железнодорожной автоматики.
КТСУК служит для оказания управляющих воздействий на исполнительную группу релейно-процессорной системы по команде от АРМ и трансляции на АРМ дискретных и аналоговых изменений
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
контролируемых объектов. КТСУК имеет два независимых друг от друга комплекта, каждый из которых осуществляет стопроцентное резервирование соседнего комплекта. Такое построение системы позволяет при сколь угодно сильном повреждении одного комплекта сохранить сто процентов работоспособности системы за счет перехода на исправный комплект. Переход с комплекта на комплект может осуществляться как принудительно, путем команды от АРМ или нажатием кнопки на передней панели КТСУК, так и по результатам самодиагностики. КТСУК выполнен с учетом требований современных стандартов к микропроцессорным системам автоматики, например, в нём не применяются различные подвижные, механические элементы, т. е. для охлаждения устройств, которые входят в состав КТСУК, не используются вентиляторы, в качестве устройства хранения данных используется не жесткий диск, как на персональных компьютерах, а модуль энергонезависимой электронной памяти.
В качестве вычислительной машины в КТСУК используются IBM PC-совместимые одноплатные компьютеры промышленного исполнения.
Для корректной работы системы вычислительная машина должна удовлетворять минимальным системным требованиям:
1. центральный процессор класса 486DX;
2. энергонезависимая FLASH-память емкостью 16 МБ;
3. оперативная память емкостью 20 МБ;
4. интерфейс ЛВС 10 МБит/с;
5. последовательный интерфейс RS-485 или RS-232;
6. сторожевой таймер.
2 Общие сведения о прикладном программном обеспечении КТСУК
Прикладное программное обеспечение (ПО) КТСУК написано на языках С, С++ и функционирует под управлением ОС RTLinux 3.0 и выше. В ПО учтены требования семейства стандартов POSIX.
ПО контроллера КТСУК служит для реализации функций систем ЭЦ-МПК и ДЦ-МПК.
ПО реализует следующие функции:
7. опрос контролируемых объектов;
8. реализация простых, алгоритмических (например, задание маршрута) и ответственных управляющих приказов;
9. взаимный контроль работоспособности парного комплекта;
10. диагностика собственных программных и аппаратных модулей;
11. передача контролируемой информации на АРМ персонала ЭЦ-МПК и ДЦ-МПК;
12. прием управляющих приказов от АРМ ДНЦ и АРМ ДСП;
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
141
13. обмен информацией с центральным постом с использованием физических линий и каналов связи в протоколах и форматах данных систем ДЦ: СКЦ, ”Луч”, ”Нева”, ЧДЦ, ДЦ-МПК и др.
Входными данными для программы являются:
1. информация, поступающая от внешних устройств (плат ввода, АРМ и т. д.);
2. настроечные данные, определяемые проектом (настроечные данные находятся в текстовом файле рабочего каталога и описывают все настраиваемые параметры программы).
Выходными данными для программы являются:
1. информация, выдаваемая во внешние устройства;
2. протокол работы программы.
Прикладное ПО хранится в модуле FLASH-памяти. При включении компьютера в процессе загрузки программного обеспечения в оперативной памяти компьютера создается корневая файловая структура операционной системы Linux. В один из разделов этой структуры из FLASH-памяти копируется прикладное ПО. FLASH-модуль тоже монтируется к файловой структуре с правами доступа только для чтения для защиты от возможных нежелательных изменений в программном обеспечении. Таким образом, во время функционирования КТСУК на каждом из его комплектов находятся две копии программного обеспечения - рабочая и защищенная от записи дистрибутивная. Такая организация запуска и хранения программного обеспечения даёт практически стопроцентную гарантию возврата системы в исходное состояние после перезагрузки.
3 Общая структура прикладного программного обеспечения КТСУК
Программа состоит из нескольких модулей, каждый из которых реализует свой набор функций. Номенклатура модулей определяется проектом.
Модули являются самостоятельными процессами, работающими под управлением ОС. Применяются обычные UNIX-процессы и процессы реального времени. На рисунке 1 показана структура программы. Тонкие стрелки показывают направление передачи данных между процессами, широкие стрелки - связь с внешними устройствами.
Обмен данными между процессами основан на стандартных механизмах межпроцессных взаимодействий. Для связи между UNIX-процессами используются очереди сообщений (message queue), для связи с процессами реального времени - RTFIFO. Число очередей сообщений и номенклатура модулей, подключенных к каждой очереди, определяется проектом.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
Структура модулей одинакова: имеется одна периодическая функция и одна функция обработки принимаемых сообщений. Периодическая функция средствами ОС осуществляет привязку процесса к реальному времени. Диапазон задаваемого периода для UNIX-процесса может составлять от 20 мс до 24 часов. Фактически этот период в зависимости от функций изменяется от 100 мс до 2 с. Минимальный период для процессов реального времени составляет 100 мкс и определяется временными параметрами соответствующих внешних устройств.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
143
Рис. 1. Структура программного обеспечения КТСУК
На рисунке 1:
TS - модуль обработки и хранения телесигнализации(ТС); TU - модуль обработки сигналов телеуправления(ТУ);
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
О44цетехнические и социальные проблемы
IPX REC - модуль приема команд ТУ от АРМ ДНЦ и ДСП из ЛВС;
IPX SEND - модуль отправки команд ТС к АРМ персонала в ЛВС;
UART - модуль связи с устройствами ввода-вывода по интерфейсу RS-485;
ALGO - модуль сложных алгоритмов управления (например, управление стрелкой);
M_R (main_rez) - модуль взаимодействия с парным комплектом КТСУК, отвечает за выбор активного или пассивного состояния ПО КТСУК;
DIAG - модуль протоколирования всех программных модулей;
TCP REC - модуль приема сообщений от парного комплекта КТСУК по протоколу ТСР;
TCP SEND - модуль отправки сообщений парному комплекту КТСУК по протоколу ТСР;
WDT(watchdog) - модуль, отслеживающий работоспособность всех модулей КТСУК;
AI - модуль аналогового ввода для работы с аналого-цифровыми преобразователями через параллельный интерфейс;
DI - модуль дискретного ввода или сопряжения с другими информационными системами (СПД-ЛП, АПК-ДК, АДК-СЦБ, ДЦ «Сетунь» и т. д.);
UMB - модуль сопряжения с платами вывода или сопряжения с другими информационными системами (СПД-ЛП, АПК-ДК, АДК-СЦБ, ДЦ «Сетунь» и т. д.);
SKC IN - если речь идет о линейном посте, то это модуль приема команд ТУ по каналу SKC-67, если о центральном посте - это модуль приема ТС от линейных постов;
SKC OUT - в случае линейного поста это модуль отправки сообщений ТС по каналу SKC-67 на центральный пост, в случае центрального поста этот модуль выполняет отправку команд ТУ линейным постам;
MCOS - модуль для работы с универсальным модемом УМ. УМ обеспечивает возможность использования КТСУК в качестве линейного или центрального поста в системах ДЦ. На сегодня в список ДЦ, поддерживаемых модемом и программным обеспечением КТСУК, входят “Нева”, “Луч”, ЧДЦ-66;
RELAY - модуль дискретного вывода, или воспроизведения звуковых сообщений для монтеров пути;
InitServant - модуль инициализации данных.
Несмотря на то, что номенклатура модулей зависит от функций, которые должна выполнять система по проекту, есть ряд модулей, которые должны присутствовать в любом проекте. Такими модулями являются:
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
145
• InitServant - обязателен для абсолютно любого проекта, так как отвечает за предоставление модулям настроечной информации;
• TU - даже если речь идет о линейном пункте диспетчерского контроля, система все равно должна иметь возможность переключать комплекты КТСУК;
• TS - сложно представить систему СЖАТ, не имеющую ни одного контролируемого объекта, но если такая система и появится, необходимость в этом модуле все равно не отпадет, хотя бы потому, что система должна контролировать свое внутреннее реле ГРУ, отвечающее за разделение и переключение комплектов, а также иметь возможность хранить и передавать диагностическую информацию, часть которой хранится в ТЗКТС.
4 Диагностика КТСУК
Так как большая часть микропроцессорного комплекса для обслуживающего персонала представляет «черный ящик», для системы жизненно необходимо иметь набор диагностических средств, достаточный для локализации неисправности до типового элемента замены и сведения её последствий к минимуму. В идеале никакой единичный отказ не должен приводить к сбоям в работе.
Поскольку КТСУК имеет дублированную структуру, в его программном обеспечение, кроме возможности диагностирования комплекта, на котором работает ПО, предусмотрена возможность диагностирования парного комплекта.
ПО КТСУК позволяет выявить следующие неполадки в работе комплекта, на котором оно запущено:
1. отсутствие связи с устройствами ввода-вывода;
2. неисправность устройства ввода;
3. «зависание» программных модулей.
Диагностика парного комплекта позволяет:
• проверить наличие связи с парным комплектом;
• определить, работоспособен ли парный комплект.
Диагностика связи с устройствами ввода-вывода выполнена в программном модуле UART. Этот программный модуль предназначен для работы с устройствами ввода-вывода, подключенными к контроллеру по интерфейсу RS-485. В общем виде процесс диагностирования связи с устройствами ввода-вывода можно описать алгоритмом, представленным на рисунке 2.
Во время опроса устройств ввода-вывода модуль считает, какое устройство сколько раз не ответило, если какое-то устройство не ответило
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
три раза подряд, связь с таким устройством считается прерванной, сообщение с информацией об этом событии немедленно отправляется на
АРМ.
Рис. 2. Алгоритм диагностирования связи по интерфейсу RS-485
Почему сообщение о пропадании связи отправляется на АРМ только после третьего сбоя? Дело в том, что кодовая линия не всегда располагается только в шкафу КТСУК, часто встречаются случаи, когда для контроля аналоговых величин её заводят в питающую панель. При таком расположении протяженность кодовой линии получается достаточно большой и увеличивается количество помех в канале. В итоге могут появляться однократные сбои, которые представляют собой явление неприятное, но все же не отражающееся на функционировании системы. Все однократные сбои не остаются незамеченными - через модуль DIAG информация о них отправляется на удаленный сервер протоколирования.
Если в качестве устройств дискретного ввода используются платы UMV-64s, то существует возможность проверять исправность этих плат в
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
147
процессе функционирования системы. На платах UMV-64s предусмотрены восемь тестовых входов, каждый вход тестирует восемь информационных входов платы. Алгоритм тестирования представлен на рисунке 3.
Рис. 3. Алгоритм тестирования входов УМВ
С помощью такого теста удается предупредить дежурного о возможной неверной индикации на АРМ, а при определенной настройке системы можно произвести автоматический переход системы с неисправного комплекта на исправный.
Диагностирование самих программных модулей системы
осуществляется программным модулем watchdog. Модуль watchdog опрашивает программные модули, используя для этого тот же механизм, что для межпроцессных взаимодействий, и следит за количеством сообщений в очередях к процессам.
Модуль имеет достаточно гибкую систему настроек. Его настроечные данные позволяют выбирать модули, за состоянием которых надо наблюдать и задавать критерии, при которых модуль считается зависшим. Зависание программы определяется по двум критериям: количеству сообщений в очереди и времени ответа на посланный модулю запрос.
Диагностика зависания программного обеспечения работает
следующим образом: при запуске модуль watchdog запускает сторожевой
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
таймер персонального компьютера на время t, то есть если таймер в течение этого времени не перезапустить, то по его истечению он перезапустит всю систему. Далее watchdog начинает опрос всех программных модулей с заданной периодичностью, параллельно с опросом отслеживая количество сообщений, находящихся в очередях; только зависший процесс может накапливать сообщения в своей очереди вместо того, что бы их обрабатывать. Если все модули отвечают на запросы и количество скопившихся в очередях сообщений не превышает предельно допустимого значения, то до истечения времени t таймер будет перезапущен еще на время t. Таким образом осуществляется защита от зависания и самого модуля watchdog.
Надо заметить, что работа каждого модуля представляет собой бесконечный цикл, все функции модулей протестированы, поэтому при работе комплекса в условиях, при которых производитель гарантирует исправную работу, вероятность программного сбоя очень и очень мала. Зависание или другое некорректное поведение системы может наблюдаться при эксплуатации системы в условиях, не соответствующих указанным в технической документации.
Для того чтобы своевременно взять управление на себя, пассивный комплект должен знать, в каком состоянии находится активный комплект. Для этого предусмотрены программные модули, отвечающие за взаимодействие комплектов. Модуль main_rez взаимодействует с соседним комплектом и, основываясь на полученной информации, может принять решение перевести комплект в активное состояние.
Модуль main_rez активного комплекта периодически отправляет пассивному комплекту сообщение о своей работоспособности. Если пассивный комплект не получает такого сообщения, то он считает, что локальная сеть между комплектами повреждена и он или парный комплект находится вне сети. Для того чтобы выяснить, какой из комплектов вне сети, модуль проверяет наличие в сети других компьютеров. Если удается найти другие компьютеры, подключенные к сети, то модуль считает, что он находится в сети, а соседнего комплекта по каким-то причинам в общей сети нет, и переходит в активное состояние.
Автоматический переход с комплекта на комплект может осуществлять модуль algo, он принимает решение о необходимости переключить комплект, основываясь на текущей телесигнализации. Модуль наблюдает за состоянием аварийного реле соседнего комплекта: если реле находится в выключенном состоянии, значит комплект выключен или неисправен. Схема аварийного реле построена на основе конденсаторного дешифратора, она обеспечивает удержание аварийного реле под током при постоянной парафазной работе двух ключей на плате УДО-48Р. Такая схема включения делает аварийное реле общим показателем работоспособности комплекта.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
149
Заключение
Все большее применение микропроцессорных устройств выводит системы железнодорожной автоматики на принципиально новый уровень. Использование микропроцессорных устройств позволяет оптимизировать и облегчить работу эксплуатационного персонала за счет автоматизации и увеличения эргономичности рабочих мест, большей информативности системы и мощных систем диагностики.
Ввиду того, что наружное наблюдение за микропроцессорной системой, как правило, позволяет только констатировать наличие отказа, но не позволяет его локализовать, каждая микропроцессорная система должна иметь мощную систему диагностики и протоколирования. Без диагностики все плюсы такой системы будут сведены на нет при первой же неисправности. Поэтому при разработке структуры таких систем большое внимание уделяется функциональному диагностированию системы и протоколированию всех её действий.
УДК 621.332:621.316.9
А. В. Боголепов
ПРИМЕНЕНИЕ ВАКУУМНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА ОТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ТЯГОВОЙ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Рассмотрены основные проблемы отключения постоянного тока вакуумным выключателем, а также основные требования к составным частям выключателя для отключения токов короткого замыкания при различных параметрах тяговой сети постоянного тока.
вакуумный выключатель, постоянный ток, тяговая сеть, гашение дуги, перенапряжения, индуктивность сети, короткое замыкание.
Введение
Быстродействующий выключатель является основным аппаратом защиты от токов короткого замыкания (КЗ) и токов перегрузки в силовой цепи электроподвижного состава (ЭПС). В настоящее время на электроподвижном составе применяются различные типы быстродействующих выключателей с открытой дугогасительной камерой с
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
