ArtykuÅ - PAR
ArtykuÅ - PAR
ArtykuÅ - PAR
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Pomiary Automatyka Robotyka 11/2008<br />
Nastawnica WT UZm sposobem<br />
na niezawodne sterowanie ruchem kolejowym<br />
<br />
Krzysztof Grochowski<br />
Sławomir Jasiński<br />
Mariusz Maciejewski<br />
Ireneusz Sitek<br />
W artykule zaprezentowany został komputerowy system sterowania ruchem<br />
kolejowym zaprojektowany i zrealizowany przez pracowników Zakładu<br />
Sterowania Ruchem Kolejowym Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej<br />
przy współpracy z przemysłem, a następnie wdrożony w warszawskim<br />
metrze. Omówiono unikalną architekturę systemu oraz wyniki przeprowadzonej<br />
analizy funkcjonalno-niezawodnościowej nastawnicy elektronicznej.<br />
<br />
terowanie ruchem kolejowym<br />
(dalej srk) jest dziedziną techniki,<br />
zajmującą się zagadnieniami bezpieczeństwa<br />
i sprawności ruchu pojazdów<br />
szynowych poruszających<br />
się po układach torowych w sposób<br />
zorganizowany. Dziedzina obejmuje<br />
wszystkie środki transportu szynowego,<br />
których pojazdy poruszają<br />
się po torze złożonym z dwóch szyn.<br />
Urządzenia srk powinny zapewniać<br />
wymagany stopień bezpieczeństwa<br />
i sprawności ruchu, przy zachowaniu<br />
właściwych proporcji między<br />
nakładami finansowymi a efektami<br />
techniczno-ruchowymi. Elementy,<br />
z których budowane są systemy sterowania<br />
ruchem kolejowym muszą<br />
gwarantować bezpieczeństwo i wysoką<br />
niezawodność pracy, zwłaszcza<br />
gdy od ich działania zależy<br />
bezpieczeństwo ruchu pociągów<br />
pasażerskich, kursujących z dużą<br />
prędkością lub jest wymagana duża<br />
sprawność ruchu [2].<br />
Do rozwoju technik srk przyczyniają<br />
się znacznie nowoczesne<br />
technologie informatyczne oraz<br />
systemy mikroprocesorowe. Powszechnie<br />
uznaje się, że technologie<br />
komputerowe wyznaczają standard<br />
i kierunki postępu techniki<br />
srk XXI wieku.<br />
Nowoczesne technologicznie<br />
rozwiązania stosowane są w wiodącej<br />
inwestycji komunikacyjnej,<br />
jaką jest warszawskie metro, które<br />
mimo niewielkich jeszcze rozmia-<br />
dr inż. Krzysztof Grochowski, mgr inż.<br />
Mariusz Maciejewski, dr inż. Ireneusz<br />
Sitek – Politechnika Warszawska, Wydział<br />
Transportu, Zakład Sterowania<br />
Ruchem Kolejowym, mgr inż. Sławomir<br />
Jasiński – Kontron East Europe<br />
Sp. z o.o.<br />
Rys. 1. Szafa sterownika zależnościowego<br />
z zainstalowanymi sterownikami<br />
VME i komparatorami<br />
Rys. 2. Podstawowa (minimalna) konfiguracja<br />
systemu WT UZm<br />
rów cieszy się ogromnym powodzeniem<br />
– dziennie przewozi od<br />
280 tys. do 500 tys. osób, na linii<br />
o długości 23 km i 21 stacjach kursują<br />
pociągi ze średnią prędkością<br />
36 km/h, zazwyczaj w godzinach<br />
od 5 00 do 1 00 , z częstością maksymalną<br />
poniżej 3 min. Z racji misji<br />
metra, charakteru usług oraz liczby<br />
przewożonych pasażerów, stosowany<br />
tu system srk musi charakteryzować<br />
się oprócz bezpieczeństwa<br />
maksymalną niezawodnością. We<br />
wszystkich typach komputerowych<br />
systemów srk można wyróżnić trzy<br />
poziomy funkcjonalne – poziom obsługi<br />
i wskazań, poziom zależnościowy<br />
oraz poziom sterowania urządzeniami<br />
zewnętrznymi.<br />
Artykuł przedstawia strukturę<br />
funkcjonalną komputerowego systemu<br />
nastawczego, parametry niezawodnościowe<br />
jego komponentów,<br />
analizę następstw usterek oraz<br />
dotychczasowe doświadczenia eksploatacyjne.<br />
W dalszej części zostaną<br />
omówione komputerowe urządzenia<br />
zależnościowe typu WT UZm,<br />
które zostały zaprojektowane i wykonane<br />
na Wydziale Transportu Politechniki<br />
Warszawskiej. Stosowany<br />
akronim pochodzi od jednostki<br />
macierzystej (Wydział Transportu)<br />
i funkcji urządzeń (Urządzenie Zależnościowe<br />
metra).<br />
Architektura<br />
komputerowego systemu<br />
nastawczego<br />
Komputerowe urządzenia zależnościowe<br />
typu WT UZm (rys. 2)<br />
przeznaczone są do realizacji funkcji<br />
zależnościowych, nastawczych,<br />
rejestracyjnych i diagnostycznych<br />
19
Pomiary Automatyka Robotyka 11/2008<br />
tości. Przekaźnikowe układy nastawcze<br />
zwrotnicowe i obwody<br />
świateł sygnalizatorów wymagają<br />
dostosowania do współpracy<br />
z urządzeniami komputerowymi<br />
(stosowane są elektronicznie<br />
sterowane obwody świateł<br />
oraz zmodyfikowane obwody<br />
nastawcze napędów zwrotnicowych).<br />
Urządzenia typu WT<br />
UZm współpracują z pulpitami<br />
elektronicznymi jako systemami<br />
nadrzędnymi, standardowo<br />
stosowany jest pulpit WT EPN<br />
i urządzenia zdalnego sterowania<br />
WT ZSiKD.<br />
Rys. 3. Rozbudowana konfiguracja systemu WT UZm<br />
w systemach srk. Są to urządzenia wielokomputerowe<br />
obejmujące:<br />
dwa komputery zależnościowe KZ00 A/KZ00 B (realizują<br />
przetwarzanie dwukanałowe funkcji zależnościowych<br />
i poleceń specjalnych)<br />
komputer wybierający KWx0 (przetwarzanie<br />
funkcji niemających wpływu na bezpieczeństwo<br />
ruchu)<br />
jeden lub więcej (w zależności od wielkości posterunku)<br />
komputerów jedno-/dwukanałowych<br />
KWxx/KZxx (w zależności od funkcji) sterujących<br />
i zbierających informacje o stanie urządzeń<br />
zewnętrznych i wewnętrznych<br />
komputer diagnostyczny KDx0.<br />
W razie potrzeby można zastosować dodatkowy komputer<br />
testowy (realizujący badania, testowanie itp.). Na<br />
życzenie zamawiającego (użytkownika) urządzenia WT<br />
UZm mogą być dostarczane z zimną rezerwą komputerów<br />
sterujących KZ i KW oraz gorącą rezerwą komputerów<br />
diagnostycznych KD (rys. 3). Komputery urządzeń<br />
WT UZm powiązane są siecią transmisyjną.<br />
Funkcje zależnościowe realizowane są w sposób<br />
bezpieczny dzięki zastosowaniu:<br />
dwukanałowego przetwarzania informacji<br />
specjalnych obwodów odczytywania stanu urządzeń<br />
bezpiecznego komparatora umożliwiającego wyprowadzanie<br />
polecenia tylko w przypadku zgodności<br />
sygnałów z dwu komputerów zależnościowych.<br />
Komputerowe urządzenia zależnościowe współpracują<br />
z typowymi obwodami torowymi lub innymi<br />
układami kontroli generującymi typowy sygnał zaję-<br />
Rys. 4. Pulpit nastawczy WT EPN<br />
Charakterystyka<br />
funkcjonalna systemu<br />
nastawczego WT UZm<br />
Funkcje dialogowe<br />
Funkcje dialogowe zapewniają<br />
współpracę dyżurnego ruchu<br />
z systemem nastawczym i obejmują:<br />
przekazywanie informacji dotyczących stanu urządzeń<br />
sterowania ruchem pociągów i sytuacji ruchowej<br />
przekazywanie informacji o stanie urządzeń automatycznego<br />
ograniczenia prędkości<br />
przekazywanie informacji o stanie napięć zasilających<br />
przekazywanie informacji o stanie napięcia trakcyjnego<br />
informowanie dyżurnego ruchu, w umowny sposób,<br />
o zdarzeniach w systemie wymagających zwrócenia<br />
uwagi, szczególnie ważne komunikaty wymagają potwierdzenia<br />
przez dyżurnego<br />
umożliwienie przeglądania na monitorze zapisanych<br />
w archiwum istotnych informacji o zdarzeniach<br />
w systemie takich, jak: wydane polecenia,<br />
brak możliwości wykonania polecenia, brak napięcia<br />
itp.<br />
20
Pomiary Automatyka Robotyka 11/2008<br />
przyjmowanie do realizacji poleceń nastawczych<br />
sterujących wprowadzanych przez dyżurnego<br />
ruchu za pomocą elektronicznego pulpitu nastawczego<br />
WT EPN (rys. 4).<br />
Funkcje zależnościowe<br />
Są to funkcje realizowane przez urządzenia zależnościowe<br />
zapewniające przekazanie do wykonania<br />
poleceń tylko po spełnieniu warunków związanych<br />
z bezpieczeństwem ruchu, odpowiadających właściwościom<br />
układu torowego, sytuacji ruchowej oraz zasadom<br />
prowadzenia ruchu i obejmujące m.in:<br />
realizację indywidualnych poleceń nastawczych<br />
(np. przestawienie pojedynczej zwrotnicy, skasowanie<br />
sygnalizacji rozprucia zwrotnicy)<br />
realizację poleceń nastawiania przebiegów<br />
kontrolę wykonalności poleceń wprowadzonych<br />
przez dyżurnego ruchu (tzw. kontrola predyspozycji)<br />
w odniesieniu do indywidualnych poleceń nastawczych<br />
oraz poleceń nastawiania przebiegów<br />
wyświetlanie sygnałów zezwalających<br />
automatyczną zmianę sygnału zezwalającego na sygnał<br />
zabraniający po przejeździe taboru<br />
umożliwienie ręcznego zwalniania przebiegów<br />
ustawianie sygnału zabraniającego jazdy realizowane<br />
z najwyższym priorytetem<br />
umożliwienie przestawiania zwrotnic przy wyłączonej<br />
kontroli niezajętości odcinka izolowanego<br />
umożliwienie skasowania informacji o rozpruciu<br />
zwrotnicy<br />
realizację poleceń dotyczących blokady liniowej<br />
(zmiana kierunku), przy spełnieniu wymaganych<br />
warunków.<br />
Funkcje rejestracyjne<br />
Są to funkcje zapewniające gromadzenie i zapisywanie<br />
danych zgodnie z przyjętymi zasadami tworzenia<br />
dokumentacji archiwalnej. System wyposażony jest<br />
w dwa typy rejestracji – rejestrację zdarzeń i rejestrację<br />
stanów. Rejestrator stanów rejestruje wszystkie<br />
zmiany stanów urządzeń objętych systemem. Rejestrator<br />
zdarzeń rejestruje m.in.:<br />
wszystkie polecenia nastawcze przyjęte do realizacji<br />
przez komputer<br />
występujące zdarzenia w systemie<br />
polecenia niezrealizowane w wyznaczonym czasie<br />
zmianę sygnału na sygnalizatorze<br />
zmiany położenia zwrotnicy<br />
rozprucie zwrotnicy i moment skasowania jego sygnalizacji<br />
utratę kontroli położenia zwrotnicy<br />
każde wyłączenie i włączenie napięcia nastawczego<br />
zanik transmisji między komputerami<br />
komunikaty zgłaszane dyżurnemu przez system<br />
oraz moment potwierdzenia ich przez dyżurnego.<br />
Funkcje diagnostyczne<br />
Dla ułatwienia diagnozowania przez personel stanu<br />
urządzeń sterowania ruchem pociągów i lokalizowania<br />
ewentualnych usterek w ich pracy, zastosowano<br />
komputer diagnostyczny wyposażony w monitor. Na<br />
monitorze diagnostycznym można prezentować:<br />
podgląd zobrazowania stacji i sytuacji ruchowej –<br />
obraz analogiczny do przedstawianego na monitorze<br />
dyżurnego ruchu (rys. 4)<br />
zawartość rejestratora zdarzeń<br />
zawartość rejestratora stanów (użytkownik może<br />
sprawdzić stan sygnałów wybranego elementu)<br />
„magnetowid” pozwalający na odtwarzanie archiwalnych<br />
zapisów zarówno rejestratora zdarzeń jak i rejestratora<br />
stanów<br />
narzędzie diagnostyczne sterownika zależnościowego<br />
umożliwiające m.in.:<br />
– odczyt wartości prądu w obwodach świateł sygnalizatorów<br />
– wyświetlanie wykresów prądu w obwodach świateł<br />
sygnalizatorów.<br />
Zastosowane metody zapewnienia<br />
niezawodności<br />
Dla zapewnienia wysokich parametrów niezawodnościowych<br />
systemu WT Uzm, skorzystano z wieloletnich<br />
doświadczeń Zakładu Sterowania Ruchem<br />
Kolejowym Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej<br />
w projektowaniu, budowie i wdrażaniu<br />
systemów zdalnego i miejscowego sterowania urządzeniami<br />
srk. Doświadczenia te wskazują, że o niezawodności<br />
systemu decydują parametry jego komponentów<br />
– sprzętu komputerowego oraz układów<br />
zasilania. Urządzenia wdrożono do eksploatacji w warszawskim<br />
metrze i są obecnie zabudowane na wielu<br />
posterunkach, tj. na: stacji Techniczno-Postojowej i stacjach<br />
od Dworca Gdańskiego do końca linii.<br />
Sprzęt komputerowy<br />
Po wieloletnich doświadczeniach w budowie i eksploatacji<br />
systemów sterowania, jako podstawę budowy<br />
systemu [3] przyjęto rozwiązania oparte na kasetach<br />
standardu 19” i wysokości 3U i 6U, które w sposób<br />
trwały i pewny utrzymują konstrukcję (rys. 1). Wykorzystane<br />
systemy komputerowe to modułowe komputery<br />
przemysłowe zbudowane na magistrali VME.<br />
Komputery zbierają dane za pomocą wejść dwustanowych<br />
i sygnałów analogowych czytanych po RS-422/<br />
232. Sygnały sterujące to sygnały dwustanowe. Przed<br />
zastosowanymi systemami komputerowymi postawiono<br />
bardzo wysokie wymagania niezawodnościowe:<br />
wysoki poziom pracy bezawaryjnej MTBF (Mean<br />
Time Between Failure), zgodnie z normą MIL-<br />
-HDBK-217F, poszczególnych elementów systemu,<br />
przekraczający 100 000 h<br />
odporność temperaturowa<br />
separowane galwanicznie obwody wejściowe<br />
separowane galwanicznie obwody wyjściowe<br />
w komputerach sterujących brak części wirujących<br />
(wentylatory, dyski itp.)<br />
w komputerach sterujących system operacyjny zapisany<br />
w pamięci stałej<br />
zapewnienie ponad 15-letniego okresu dostaw.<br />
21
Pomiary Automatyka Robotyka 11/2008<br />
Zasilanie<br />
Szczególną uwagę zwrócono na realizację układu zasilania<br />
(rys. 5) uznając, że jego stabilna i sprawna praca<br />
gwarantuje poprawną eksploatację całego systemu.<br />
Transmisja<br />
do/z komputera<br />
wybierającego<br />
bariera<br />
galwaniczna<br />
Wymiana danych<br />
między kanałami A i B<br />
oraz synchronizacja<br />
bariera<br />
galwaniczna<br />
kanał A<br />
bariera<br />
galwaniczna<br />
bariera<br />
galwaniczna<br />
kanał B<br />
bariera<br />
galwaniczna<br />
bariera<br />
galwaniczna<br />
transmisja do KZxx<br />
kanał A<br />
transmisja do KZxx<br />
kanał B<br />
Rys. 5. Schemat powiązania kanałów A i B oraz zasady separacji<br />
galwanicznej w systemie WT UZm<br />
Wysoką niezawodność urządzeń zasilania osiągnięto<br />
stosując następujące rozwiązania:<br />
zastosowano zasilacze o wysokiej jakości parametrach<br />
napięcia wyjściowego, mogące pracować z redundancją<br />
zadbano, aby stałe obciążenie zasilaczy nie przekraczało<br />
50 % wartości znamionowej<br />
odseparowano zasilania różnych grup komputerów<br />
odseparowano zasilanie komputerów od zasilania<br />
sterującego<br />
obwody napięć sterujących zasadniczo zamknięto<br />
w szafach, a jeżeli nie było to możliwe, to w przekaźnikowni,<br />
dzięki czemu osiągnięto zmniejszenie<br />
zagrożenia pochodzącego od obcych źródeł zasilania<br />
i zewnętrznych zakłóceń.<br />
Dekompozycja funkcjonalno-niezawodnościowa<br />
systemu<br />
Aby uzyskać pełny obraz niezawodnościowy tak złożonego<br />
systemu, jakim jest komputerowe urządzenie<br />
nastawcze, dokonano dekompozycji funkcjonalnej<br />
systemu na komponenty, w których możliwe jest powstawanie<br />
awarii i uszkodzeń systemu. Wyróżniono<br />
następujące grupy komponentów i ich usterek [1]:<br />
sprzętu elektronicznego – komputerów sterujących,<br />
komputerów pomocniczych, komparatorów, układów<br />
transmisji itd.<br />
oprogramowania i logiki – restart komputerów sterujących,<br />
restart komputerów pomocniczych, samoistnie<br />
ustępujące zakłócenia w działaniu, błędy,<br />
błędy krytyczne<br />
zasilania – zewnętrznego, systemowego<br />
Tab. 1. Przykładowe efekty następstw usterek<br />
Uszkodzenia<br />
Awarie<br />
Komputerów<br />
pomocniczych<br />
Restart komputerów<br />
pomocniczych<br />
Samoistnie ustępujące<br />
zakłócenia w działaniu<br />
Komputerów<br />
sterujących<br />
Komparatorów<br />
Transmisji<br />
Systemowego<br />
Restarty komputerów<br />
sterujących<br />
Błędy<br />
Błędy krytyczne<br />
Sprzętu elektronicznego<br />
Pomimo uszkodzenia tych komputerów<br />
nadal istnieje możliwość prowadzenia<br />
ruchu<br />
Oprogramowania i logiki<br />
Do tej grupy zaliczany jest każdy restart<br />
wykonany z dowolnego powodu<br />
Różnego rodzaju zakłócenia działania<br />
systemu, których źródło jest trudne do<br />
określenia<br />
Sprzętu elektronicznego<br />
Bardzo często usterka komputera sterującego<br />
(zależnościowego lub wybierającego)<br />
nie prowadzi do całkowitej<br />
utraty sterowania stacją, lecz tylko do<br />
lokalnego ograniczenia jej funkcjonalności,<br />
jednak ze względu na znaczenie,<br />
jakie dla całości systemu mają komputery<br />
sterujące, ich uszkodzenia należy zaliczyć<br />
do awarii<br />
Praktycznie nigdy usterka komparatora<br />
nie może doprowadzić do całkowitej<br />
utraty sterowania stacją, lecz tylko do<br />
lokalnego ograniczenia jej funkcjonalności,<br />
jednak ze względu na znaczenie<br />
jakie mają komparatory dla całości systemu,<br />
ich uszkodzenia należy zaliczyć<br />
do awarii<br />
Regułą jest, że każda usterka transmisji<br />
oddziaływuje na co najmniej dwa komputery,<br />
dlatego z reguły prowadzi do<br />
wysokiego ograniczenia funkcjonalności<br />
systemu<br />
Zasilania<br />
Powodują całkowitą niedostępność systemu<br />
Oprogramowania i logiki<br />
Do tej grupy zaliczamy każdy restart<br />
komputerów sterujących wykonany<br />
z dowolnego powodu<br />
Wyniknąć mogą z kilku czynników:<br />
– błędnego projektu<br />
– niedostatecznego testowania<br />
systemu<br />
– zmiany założeń projektowych<br />
– inne błędy w działaniu<br />
Błędy ujawniają się jako awarie systemu<br />
ograniczając jego funkcjonalność,<br />
jednak ze względu na ich znaczenie zaliczono<br />
je do awarii<br />
Błędy w logice systemu (ich wystąpienie<br />
mocno ogranicza wiarygodność<br />
systemu)<br />
elektrycznych urządzeń wykonawczych – sygnalizatorów<br />
(np.: przepalenie żarówek, bezpieczników),<br />
napędów itd.<br />
mechanicznych i innych – sterowników, sygnalizatorów,<br />
rozjazdów, kabli (przerwy, zwarcia) itp.<br />
22
Pomiary Automatyka Robotyka 11/2008<br />
Analiza następstw usterek<br />
Wszystkie wyróżnione typy usterek mogą ograniczać<br />
funkcjonalność systemu srk całkowicie lub częściowo.<br />
Analizując niezawodność elektronicznych<br />
urządzeń nastawczych typu WT UZm uwzględniono<br />
usterki, których źródłem jest konstrukcja i oprogramowanie<br />
systemu. Nie uwzględniano usterek generowanych<br />
w otoczeniu systemu.<br />
Wprowadzono dodatkową klasyfikację usterek na<br />
uszkodzenia i awarie, uwzględniającą ich następstwa<br />
(tab. 1):<br />
uszkodzenie – to czasowe ograniczenie dostępności<br />
systemu<br />
awaria – to czasowa niedostępność systemu.<br />
Podsumowanie<br />
System WT UZm jest efektem wieloletnich doświadczeń<br />
Zakładu Sterowania Ruchem Kolejowym Wydziału<br />
Transportu Politechniki Warszawskiej w projektowaniu<br />
i wdrażaniu systemów kierowania i srk.<br />
Doświadczenia te pozwoliły na wypracowanie efektywnych<br />
metod zapewnienia wysokiej niezawodności<br />
systemów, poprzez właściwy dobór krytycznych<br />
komponentów i architekturę ograniczającą następstwa<br />
usterek. Długoterminowe doświadczenia eksploatacyjne<br />
z wielu obiektów pozwalają stwierdzić,<br />
że nastawnica elektroniczna typu WT UZm jest urządzeniem<br />
wysoce niezawodnym, spełniającym wysokie<br />
standardy dostępności systemu.<br />
Rejestracja sygnałów pochodzących z urządzeń<br />
srk w znacznym przedziale czasowym pozwala na<br />
ich wszechstronną analizę, a w efekcie umożliwia<br />
profesjonalną diagnostykę całego systemu, obniżając<br />
w efekcie koszty użytkowania i zwiększając sprawność<br />
i bezpieczeństwo ruchu pociągów pasażerskich.<br />
Bibliografia<br />
1. Dyduch J., Jasiński S.: Analiza funkcjonalno-niezawodnościowa<br />
nastawnicy elektronicznej WT<br />
UZm. Międzynarodowa Konferencja Naukowa<br />
TRANSPORT XXI WIEKU, Stare Jabłonki 2007.<br />
2. Dyduch J., Kornaszewski M.: Systemy sterowania<br />
ruchem kolejowym. WPR, Radom 2007.<br />
3. DTR 2002/WT PW/01 – Dokumentacja Techniczno-Ruchowa<br />
komputerowych urządzeń zależnościowych<br />
typu WT UZm, Warszawa 2002.<br />
23
Change language