Основное назначение систем железнодорожной автоматики и телемеханики — обеспечение безопасности движения поездов, поскольку сбой или отказ таких систем на станции или перегоне может привести к катастрофическим последствиям, в том числе к многочисленным человеческим жертвам. Современная практика показала, что релейные, механические, релейно-процессорные системы имеют ряд недостатков. Внедрение микропроцессорных систем позволяет повысить качественный уровень управления движением поездов. В статье рассказывается об одном из современных отечественных продуктов в этой области, разработанном НПЦ «Промэлектроника».
История систем железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ), к сожалению, знает немало поистине трагических примеров. Например, в июле 2011 г. в результате столкновения двух высокоскоростных поездов на эстакаде пригорода Вэньчжоу в Китае произошла крупная железнодорожная авария: погибших — 40 человек, раненых — 210. Причина — сбой системы управления из-за грозы. В 2013 г. вблизи испанского города Сантьяго-де-Компостела неисправность системы обеспечения безопасности движения поездов позволила машинисту значительно превысить скорость, из-за чего поезд сошел с рельсов. В результате инцидента погибли 80 человек, ранены — 140. В нашей стране крушение с тяжелыми последствиями произошло на станции Ламенская в 1972 г. Несовершенство системы управления движением позволило дежурной по станции принять пассажирский поезд на станционный путь, где уже находился грузовой состав. Произошло столкновение, в котором погибли 58 и ранены 16 человек.
Существенное влияние на обеспечение безопасности движения поездов оказывает надежность СЖАТ. В то же время функциональное назначение таких систем — обеспечение безопасности поездов — определяет принципиальное отличие стратегии разработки СЖАТ от разработки устройств общепромышленной автоматики. В последних, как правило, реализуется принцип отказоустойчивости: при любых сбоях и отказах система должна сохранять возможность управления объектом. В СЖАТ применяется принцип отказобезопасности: при любых сбоях и отказах система должна гарантированно переходить в безопасное состояние, исключающее возможность управления объектом. При этом параметры надежности и безопасности должны сохраняться в течение всего срока службы (реального, а не назначенного) — в порядке вещей 40–50 лет, и, зачастую, в экстремальных условиях окружающей среды.
Исторически базовыми элементами СЖАТ являлись механические устройства, затем, с начала ХХ в., — электромагнитные реле. В 70-е годы прошлого столетия в мировой электронике появились интегральные микросхемы (ИМС), благодаря чему стало возможным создание СЖАТ с принципиально иными функциональными возможностями.
Современная практика показала, что релейные, механические, релейно-процессорные СЖАТ имеют ряд недостатков, делающих их использование ограниченным и технически бесперспективным. В настоящее время релейные устройства, выполняющие требуемые зависимости стрелок и сигналов, все чаще заменяют микропроцессорными системами. Внедрение микропроцессорных СЖАТ позволяет повысить качественный уровень управления движением поездов: не только обеспечить безопасность движения, но и увеличить пропускную способность участков ж/д, снизить эксплуатационные затраты, повысить производительность и престиж труда железнодорожников.
Одним из современных отечественных продуктов в этой области является микропроцессорная централизация стрелок и сигналов МПЦ-И, разработанная НПЦ «Промэлектроника» (Екатеринбург).
МПЦ-И предназначена для управления напольными объектами: стрелками, светофорами, переездами на ж/д станциях любого размера и типа, организации поездной и маневровой работы на ж/д транспорте общего (включая участки скоростного и высокоскоростного движения) и необщего пользования, технологическом, а также в метрополитенах.
К работам над созданием микропроцессорной централизации НПЦ «Промэлектроника» приступил в 1998 г., а уже в 1999 г. опытный образец МПЦ-И первого поколения был введен в опытную эксплуатацию на ст. Пост 175 м «ЕВРАЗ КГОК». С тех пор система непрерывно совершенствуется, и сейчас широко внедряется МПЦ-И уже третьего поколения.
МПЦ-И обладает развитыми коммуникационными средствами и гибкой архитектурой, что позволяет интегрировать смежные системы ж/д автоматики, использовать современные сети передачи данных и создавать экономически оправданные конфигурации системы для станций различных классов.
Состав и структура МПЦ-И
Комплекс программных и аппаратных средств МПЦ-И имеет многоуровневую структуру и включает в себя следующие компоненты:
- Управляющий контроллер централизации (УКЦ) для осуществления маршрутизированных передвижений по станции (рис. 1), в котором на базе двух независимых КЦ реализуются зависимости и алгоритмы функционирования логики централизации. В состав УКЦ входят устройства сопряжения с объектами (УСО), которые реализуют функции безопасного управления объектами.
- Телекоммуникационный шкаф (ШТК, рис. 2).
- Автоматизированные рабочие места (основное, резервное, удаленное) дежурного по станции (АРМ ДСП, рис. 3) для задания управляющих команд и визуализации поездной ситуации.
- Автоматизированное рабочее место электромеханика (АРМ ШН) для мониторинга (в т.ч. удаленного) состояния объектов МПЦ-И (рис. 4).
- Пульт резервного управления для прямопроводного управления стрелками при возникновении неисправностей основного и резервного АРМ ДСП или УКЦ.
- Релейно-контактные устройства для коммутации цепей управления стрелками, светофорами и увязки с релейными СЖАТ.
- Напольные устройства сигнализации, централизации стрелок и сигналов и блокировки (СЦБ).
- Аппаратура системы контроля участков пути методом счета осей (ЭССО, ЭССО-М) или любые рельсовые цепи.
В качестве системы электропитания применяется система гарантированного электропитания микроэлектронных систем (СГП-МС) разработки НПЦ «Промэлектроника» (рис. 5). Возможно применение и других систем электропитания, отвечающих требованиям Правил технической эксплуатации (ПТЭ) и обеспечивающих бесперебойное электропитание станционных устройств, включая микроэлектронные.
Основные компоненты МПЦ-И, такие как УКЦ, ШТК, релейные и кроссовые стативы, размещаются на посту централизации. Схема размещения структуры МПЦ-И показана на рис. 6.
МПЦ-И предназначена для применения на малых, средних и крупных станциях без ограничения количества стрелок. При проектировании крупных станций применяется техническое решение «Каскадированный УКЦ», при котором контроль и управление объектами распределяются между несколькими УКЦ.
Первый УКЦ обеспечивает управление до 35 стрелками, второй и последующие — дополнительно до 45 стрелками каждый. При этом обеспечивается увязка с существующими устройствами полуавтоматической и автоматической блокировки, диспетчерской централизации, диспетчерского контроля, технической диагностики и мониторинга и другими системами.
Надежность и безопасность
Показатели надежности и функциональной безопасности являются важнейшими характеристиками качества МПЦ-И.
Под функциональной безопасностью устройства понимают защищенность от формирования устройством команд и сигналов, приводящих к нарушению безопасности движения как при нормальной работе устройства, так и в условиях возникновения в устройстве внутренней неисправности.
В устройствах и системах ж/д автоматики обеспечение функциональной безопасности базируется на двух основных принципах. В основу первого из них положена избыточность — параметрическая, аппаратная, программная, информационная, временн?я. В основу второго принципа положено использование технических средств, локализующих развитие неблагоприятных процессов в системе при возникновении в ней неисправности и защищающих ее от выдачи неправильных воздействий, т. е. препятствующих возникновению опасного отказа и переводящих систему в защитное состояние.
Для контроля правильности работы каналов используется аппаратное и программное сравнение результатов выполнения отдельных команд или решения отдельных задач. Это позволяет обеспечивать:
- независимость отказов в однотипных элементах функционально избыточных структур;
- исключение возможности накопления отказов;
- защиту системы от опасных отказов при любых единичных сбоях и отказах;
- контроль правильности работы программного обеспечения (ПО).
Система МПЦ-И реализована как двухканальная структура, работающая по принципу «2 из 2». Для управления объектами в МПЦ-И используются УСО.
В МПЦ-И применяется высоконадежный комплекс технических средств, использующий специализированную безопасную схемотехнику, а также операционную систему реального времени отечественной разработки.
Для обеспечения требуемых параметров готовности станций, расположенных на участках с интенсивным движением, возможно применение технического решения системы «Резервированный УКЦ» (архитектура «2 из 2 + 2 из 2»). Полное резервирование сетевого оборудования, расположенного в ШТК, и наличие резервируемой локальной вычислительной сети существенно повышают отказоустойчивость МПЦ-И.
МПЦ-И оснащена резервируемой системой управления и визуализации на базе промышленных компьютеров. Для отображения конкретного объекта (станции, участка) выбираются мониторы соответствующего размера и разрешения (крупные станции возможно дополнительно оборудовать обзорными ЖК-дисплеями). При неисправностях управляющего контроллера централизации или АРМ ДСП (основного и резервного) может использоваться пульт резервного (прямопроводного) управления. В режиме резервного управления происходит аппаратное отключение управляющих воздействий УКЦ от объектов управления и подключение к объектам управления пульта резервного управления.
Для подавляющего большинства систем МПЦ проектирование программы логики (так называемой адаптационной части) требует значительного времени (в общем случае около одного-трех месяцев). Кроме того, критичность возможных ошибок приводит к необходимости значительного увеличения времени проверок. Как правило, к проектированию адаптационной части допускаются люди с уровнем знаний экспертов не только в области СЦБ, но и программирования.
В МПЦ-И реализована возможность проектирования станции при помощи расстановки унифицированных программных блоков по географическому принципу, т. е. по плану станции, как это делается в системе блочной маршрутно-релейной централизации управления движением поездов (БМРЦ), с последующим их конфигурированием по проекту. Проектирование выполняется с применением системы автоматизированного проектирования (САПР).
Срок проектирования адаптационной части программы для станции в 30 стрелок при этом силами одного обученного специалиста-проектировщика со средней квалификацией составляет всего одну-две недели. Применяя автоматизированную технологию проектирования, мы снижаем трудоемкость и стоимость внедрения системы, а также уменьшаем риски, влияющие на безопасность.
Перспективы
На основе компонентов МПЦ-И разработан ряд технических решений, как, например, система диспетчерского контроля ДК-И, позволяющая улучшить организацию труда диспетчерского аппарата — контролировать поездную ситуацию на участках из нескольких станций (удаленный контроль состояния устройств СЦБ).
Также реализована возможность контроля станций с помощью веб-интерфейса практически с любого компьютера, находящегося в информационной сети системы ДК-И.
Технология МПЦ-И позволяет реализовать управление участком ж/д, состоящим из нескольких станций, а также организовать удаленное управление станцией или участком (т. н. «мультистанционность»), тем самым позволяет организовать управление участками ж/д любой сложности и протяженности. Созданы технические решения по увязкам практически со всеми основными системами СЦБ, применяемыми на сети ОАО «РЖД», постоянно разрабатываются обновления и дополнения. В новых и модернизируемых технических решениях особое внимание уделено защите от перенапряжений и грозовых разрядов.
Анализ сметной документации и технико-экономические расчеты показывают, что при увеличении размера станции и/или объема поездной и маневровой работы удельная стоимость строительства релейных ЭЦ в пересчете на одну стрелку остается практически неизменной, а микропроцессорных и релейно-процессорных снижается. Это обусловлено тем, что в микропроцессорных системах есть минимально необходимый для функционирования аппаратно-программный комплекс. Если удельная их стоимость в пересчете на одну стрелку на малых станциях велика, то при внедрении МПЦ на крупных станциях она снижается, так как наращивание взаимосвязей и введение дополнительных функций выполняются преимущественно программным способом.
Система МПЦ-И применяется в различных вариантах. Анализируя данные технико-экономических расчетов, можно сказать, что оптимальным по стоимости является вариант, предполагающий устройства сопряжения с объектом УСО. Вариант МПЦ-И с объектными контроллерами вместо УСО имеет худшие параметры по стоимости и надежности. И, наконец, существует конфигурация с УСО и релейной коммутацией силовых цепей для управления группой малых станций с одной или нескольких опорных. Это решение позволяет удешевить тот самый минимально необходимый аппаратно-программный комплекс и сместить точку окупаемости проекта в сторону малых станций, даже размером до 10 стрелок. Таким образом, применять микропроцессорные централизации экономически эффективно не только на крупных станциях.
В самом начале разработки системы МПЦ-И выявился огромный пласт проблем с организацией качественного электропитания микроэлектронных устройств СЖАТ. Существующие электроустановки не могли комплексно решить эти задачи, т. к. не обеспечивали основные требования к электропитанию микроэлектронных устройств, такие как бесперебойное электропитание, стабильность напряжения по частоте и амплитуде, минимальный коэффициент нелинейных искажений, высокий коэффициент мощности и т. п. Для этого в рамках программы разработки станционных систем СЦБ была создана СГП-МС. Она представляет собой линейку электропитающих установок, различающихся по мощности (от 10 до 30 кВА) и по времени резервирования всей станции, оборудованной МПЦ (от 10 мин до 8 ч).
* * *
МПЦ-И — первая централизация полностью отечественной разработки, выполненная на базе отечественных контроллеров и ПО. ПО МПЦ-И имеет сертификат соответствия требованиям защиты от НВД, выданный ФЭСТЭК России. Также МПЦ-И соответствует как российским, так и европейским требованиям безопасности, о чем свидетельствует единственный среди российских разработчиков и производителей аналогичных систем сертификат соответствия уровню SIL4 стандарта CENELEC.
Подводя итог, следует сказать, что аппаратура МПЦ-И разработана с учетом мировых тенденций развития электроники, системотехники, ПО и конструктивных решений, чтобы предоставить заказчику максимальную защиту от морального и технического старения системы и обеспечить наилучшее соотношение надежности, готовности, ремонтопригодности, безопасности и стоимости жизненного цикла (RAMS/LCC).
НПЦ «Промэлектроника» имеет большой опыт внедрения своих систем не только в России, но также в странах ближнего и дальнего зарубежья. В настоящее время системой МПЦ-И оборудовано около 100 станций. Половина из них работает на магистральном ж/д транспорте России, остальные — на промышленном транспорте России, магистральном и промышленном транспорте ряда зарубежных стран, таких как Болгария, Беларусь, Казахстан, Грузия, Азербайджан, Узбекистан.
Вадим Ляной.
Опубликовано в номере: Control Engineering Россия Октябрь 2016
