Интероперабельность и безопасность совместного использования европейской системы управления движением поездов ERTMS с микропроцессорной централизацией Еbilock-950 на украинских железных дорогах



Рис. 5.3.Структурная схема системы счета осей

1 - рельсовые датчики первичной информации (Д), располагаемые непосредственно на рельсах на границах контролируемого участка пути, взаимодействующие с каждым колесом, или колесной парой железнодорожного подвижного состава в отдельности, и вырабатывающие при этом сигналы (как правило, электрический);

2 - устройство преобразования первичного сигнала в форму, удобную для передачи по выделенным или стандартным (телефонным) каналам связи (ЛС);

3 - решающий прибор (РП), иногда называемый приемником, располагаемый, как правило, в аппаратном помещении, соединенный с рельсовыми датчиками линиями ЛС1, ЛС2 и, на основе полученных от них сигналов, формирующий в системе счета осей сигнал о занятом или свободном состоянии контролируемого участка пути.

В настоящее время на отечественных железных дорогах и за рубежом в системах счета осей наибольшее распространение получили индукционные датчики, которые обеспечивают работоспособность в любых климатических условиях, при наличии мощных магнитных полей тягового тока и полей тяговых двигателей, и не оказывают заметного биологического воздействия на окружающую среду.

Индукционные датчики в силу простоты их схемных и конструктивных решений, а также повышенной надежности, являются наиболее распространенным типом бесконтактного датчика и применяются на железных дорогах многих стран в двух основных модификациях: магнитоиндукционных (с источником связующего поля - постоянным магнитом) и индукционных электромагнитных (с переменным магнитным полем)

5.2.6 Принцип действия магнитоиндукционного путевого датчика

В магнитоиндукционном точечном путевом датчике используется генераторный первичный преобразователь (формирующий информационный сигнал под воздействием колеса и при отсутствии внешнего источника питания), основанный на принципе электромагнитной индукции, закон которой выражается формулой

(3.4)

где е - индуктируемая в катушке электродвижущая сила (эдс); w - число витков в катушке; Ф - магнитный поток пронизывающий витки катушки.

Рассмотрим конструкцию и принцип действия магнитоиндукционного путевого датчика SERVO фирмы GENERAL ELECTRIK. Датчик представляет собой (рис. 5.4, а и б) размещенный в диамагнитном корпусе 1 подковообразный постоянный магнит 2 с отдельными обмотками 6 на каждом из его полюсов.



Рис.5.4.Магнитоиндукционный точечный путевой датчик: а - общий вид; б - схема усилителя

При входе ферромагнитной массы реборды 4 колеса 5 в зону действия датчика магнитное сопротивление воздушного зазора магнита изменяется, что вызывает изменение магнитного потока 3, сцепленного с витками катушек датчика, и, как следствие, индуктирование эдс (в обеих последовательно соединенных катушках) с амплитудой, пропорциональной скорости движения колеса. Полярность индуктируемой эдс в приемных катушках меняется от прямой до обратной при проследовании колеса над датчиком.

Амплитуда напряжения на выходе датчика тем больше, чем выше скорость движения колеса. Полученный электрический сигнал достаточно просто обрабатывается электронными устройствами исполнительного элемента.

Схема исполнительного элемента магнитоиндукционного путевого датчика рис. 5.4, б состоит из интегрирующей цепочки RC, диодаД и транзистора Т, управляемого отрицательной полуволной сигнала датчика (положительная полуволна шунтируется диодом Д). Цепочка RC, включенная на входе транзистора, отфильтровывает из сигнала высокочастотные составляющие и короткие импульсы помех, обусловленные вибрацией датчика и наводками от внешних магнитных полей.

Амплитуда импульса падает с уменьшением скорости состава, и при остановках колеса над датчиком напряжение на катушках практически отсутствует. Таким образом, рассматриваемый датчик имеет информационное ограничение по скоростному диапазону.

Следует отметить, что невысокая стоимость датчика обусловлена относительно простой его конструкцией (магнит и обмотка). Однако достаточно большая масса ограничивает срок службы датчика, установленного на рельсе, вследствие разрушения его вибрациями, возникающими при движении поездов.

На элементы согласования датчика с исполнительным элементом оказывают существенное влияние электромагнитные помехи, воздействующие на обмотки датчика и соединительные провода. Применяемые меры к их ослаблению не всегда эффективны вследствие широкого частотного спектра помех и случайного характера этих процессов.

Аналогично рассмотренному принципу действия работают также магнитоиндукционные точечные путевые датчики (педали) типа ПБМ, ДМ и другие.

Рассмотрим следующую группу датчиков, принцип работы которых основан на формировании информационных сигналов о движении колеса путем амплитудной модуляции выходного сигнала. Это так называемые индукционные электромагнитные путевые датчики, где чувствительным элементом являются катушки индуктивности, параметры которых (взаимная индуктивность) изменяются при движении колеса над ним. Выходным сигналом датчика является амплитуда переменного тока.

5.2.7 Принцип действия индукционного электромагнитного путевого датчика

Рассмотрим следущую группу датчиков, принцип действия которых основан на формировании информационных сигналов о движении колеса путем амплитудной модуляции выходного сигнала. Это так называемые индукционные электромагнитные путевые датчики, где чувствительным элементом есть катушки индуктивности, параметрыкоторых (взаимоиндуктивность) изменяется при движении колеса над ними. Выходным сигналом датчика есть амплитуда переменноготока.

В рассматриваемой конструкции индукционного электромагнитного путевого датчика переменное магнитное поле, создаваемое передающей катушкой W1 (рис.5.5), пересекает витки приемной катушки W2, расположенной на другой стороне рельса, и генерирует в ней эдс выходного сигнала.

Рис. 5.5. Индукционный электромагнитный путевой датчик

Форма и расположение обеих катушек и их ферритовых сердечников образуют два магнитных потока Ф1 и Ф2, проходящих через первичный преобразователь (обмотку W2) в противоположных направлениях. При отсутствии колеса преобладает поток Ф1, который и индуктирует выходной сигнал в виде переменного напряжения Uвых. В значительно упрощенном виде магнитный поток катушки, без учета магнитного потока рассеивания (Фр), определяется выражением

(5.4)

где Rст - суммарное магнитное сопротивление всех ферромагнитных участков магнитопровода (по которым замыкается магнитный поток, пронизывающий обе катушки); Rв - магнитное сопротивление всех воздушных промежутков, по которым замыкается магнитный поток Ф1, пронизывающий обе катушки; lст - длина ферромагнитных магнитопроводов; lв - длина воздушных промежутков магнитопровода.

Подставляя значение уравнения (5.2) в уравнение (5.1), получим уравнение для определения эдс, наводимой в обмотке W2 первичного преобразователя магнитным потоком Ф1:

(5.5)

где W1 - число витков передающей катушки (источника связующего
магнитного поля); W2 - число витков приемной катушки; SК2-эквивалентная площадь катушки первичного преобразователя (приемной катушки); w - круговая частота; I1 - амплитудное значение переменного тока передающей катушки; К< 1 - коэффициент связи обмоток, учитывающий соотношение магнитных потоков полного (с учетом потоков рассеивания) и сцепляющегося с приемной катушкой.

Аналогично, с учетом параметров своих составляющих воздушных промежутков и ферромагнитных магнитопроводов, можно определить значение магнитного потока Ф2 и эдс, наводимую этим потоком в катушке W2.

Если между катушками датчика проходит колесо, то его металлическая масса изменяет направление и действует как экран для потока Ф1, который уменьшается в катушке W2. Разность эдс в приемной катушке, индуктируемых потоками Ф1 и Ф2, снижается до нуля, это и является сигналом счета оси, выдаваемого точечным путевым датчиком.

По такому принципу построены точечные путевые датчики в некоторых системах СЦБ фирмы SEL, передающие катушки которых запитываются от автогенератора прямоугольных колебаний частотой 5,06 кГц. Чаще всего для повышения безопасности в системах железнодорожной автоматики, использующих счетчики осей для контроля участков пути, применяют два последовательно расположенных датчика, размещенных в общем корпусе. Такая конструкция датчика позволяет повысить достоверность фиксации проследования каждой колесной пары методом сравнения результатов, полученных от каждого из датчиков, и определить направление движения подвижной единицы по последовательности их срабатывания.

Изменяя взаимное расположение передающих и приемных катушек, а также частоту генерируемого сигнала в передающих катушках, можно создать индукционный электромагнитный путевой датчик, у которого при проходе колеса сигнал в приемных катушках будет возрастать. По такому принципу построен датчик в системе счета осей AzS 350 фирмы “SIEMENS”.

5.2.8 Потенциометрические датчики

Для преобразования угловых или линейных механических перемещений в соответствующие изменения сопротивления, напряжения или тока служит потенциометрический датчик, который представляет собой резистор, включенный по схеме потенциометра.

На каркасе из изоляционного материала размещена обмотка. По кромке провода обмотки перемещается контакт щетки, приводимой во вращение осью. Движок соединяет контакт щетки с щеткой токосъемного кольца. Ось вращения и движок электрически изолированы друг от друга. Напряжение питания подается на зажимы потенциометра, выходное напряжение снимается между одним из зажимов, на которые подается питание, и контактом, соединенных с токосъемным кольцом.

Элемент, угловое перемещение которого нужно преобразовать, механически связывается с осью, положение которой определяет сопротивление, а следовательно, выходное напряжение и ток в нагрузке. В качестве нагрузки может быть использован электроизмерительный прибор, например вольтметр, отградуированный в значениях угловых перемещений. Статическая характеристика потенциометрического датчика показывает зависимость выходного напряжения от контролируемого угла поворота подвижного контакта щетки в режиме холостого хода и при наличии нагрузки. Обычно стремятся к реализации линейной статической характеристики. Для этого необходимо выполнить соотношение , где - сопротивление потенциометра.

Потенциометрические датчики используют на тепловозах в качестве датчиков давления масла. Под давлением масла мембрана, воздействующая на шток, рычажную передачу и далее подвижной контакт потенциометра, прогибается.

Реостатные преобразователи с проволочной обмоткой являются ступенчатыми (дискретными) преобразователями, поскольку непрерывному изменению перемещения соответствует дискретное изменение сопротивления. Дискретный характер выходной величины определяет возникновение соответствующей погрешности дискретизации, которая уменьшается с увеличением числа витков обмотки. Поэтому реостатные преобразователи обычно имеют не меньше 100--200 витков обмотки. Указанная погрешность дискретизаций отсутствует в реохордных преобразователях, в которых щетка скользит вдоль оси калиброванной проволоки.

5.2.9 Гальванический преобразователь

Гальванические преобразователи основаны на зависимости ЭДС гальванической цепи от концентрации ионов в электролите иокислительно-восстановительных процессов, происходящих на электродах. Наиболее широко гальванические преобразователи используются в качестве приборовдля измерения активности(концентрации) водородных ионов. Они основаны на свойствах различных растворов (нейтральных, кислых, щелочных), которые зависят от концентрации в нихводородных ионов.

Гальванический преобразователь состоит из двух элементов: измерительного электрода, помещенного в исследуемый раствор, и вспомогательного элемента, электродный потенциал которого должен оставаться постоянным. ИзмерениеЭДС гальванических преобразователей должно производиться таким образом, чтобы через преобразователь не проходил ток, вызывающий погрешности от поляризации электродов ипадения напряжения на внутреннем сопротивлении преобразователя, которое при использовании стеклянных электродов составляет 107-109 Ом. Указанное требование делает необходимым применение электрометрических усилителей или компенсационных измерительных приборов. Следует также учитывать, что измерение давления с помощью гальванических преобразователей требует введения поправки на температуру.

5.2.10 Термоэлектрические преобразователи

Термоэлектрические преобразователи (термопары) основаны на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников (или полупроводников), течет ток, если места спаев проводников имеют различные температуры.

Если взять замкнутый контур, состоящий изразнородных проводников (термоэлектродов), то на их спаях и возникнут термо-ЭДС и , зависящие от температур и этих спаев. Так как эти термо-ЭДС оказываются включенными встречно, то результирующая термо-ЭДС , действующая в контуре, равна

(5.6)

При равенстве температур обоих спаев результирующая термо-ЭДС равна пулю. Спай, погружаемый в контролируемую среду, называется рабочимконцом термопары, а другой - свободным.

5.2.11 Оптические датчики

В качестве приемных элементов в оптических датчиках используют фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы. Действие фототранзисторов основано на явлении внутреннего фотоэффекта, состоящего в том, что в результате поглощения света в полупроводнике фоторезистора появляются свободные электроны. Под действием приложенного напряжения первичные электроны приходят в движение и сталкиваются с атомами кристаллической решетки, вызывая дополнительный вторичный поток электронов. Таким образом, при освещении фоторезистора его проводимость резко увеличивается, что приводит к увеличению тока в цепи нагрузки. Изменение интенсивности излучение влияет на их сопротивление в непроводящем направлении. В фоторезисторах светом излучается базовая область. При этом действие светового потока (подобно действию напряжения, прикладываемого между базой и эмиттером в обычном транзисторе) приводит к увеличению тока эмиттера и соответственно выходного тока коллектора.

Оптические датчики используют в СЖАТ на метрополитене для контроля скорости движения поездов в районе остановочных платформ; в устройствах пассажирской автоматики (турникетах); в устройствах контроля прохода в тоннель и пр. На сортировочных горках оптические датчики контролируют свободность стрелочных участков при проследовании длиннобазных вагонов.

В системах, предназначенных для автоматического обнаружения перегретых букс подвижного состава (ПОНАБ), применяют датчики, реагирующие на инфракрасное излучение от корпусов греющихся букс. Они называются болометрами. Эти датчики преобразуют инфракрасное излучение от нагретых букс в электрические сигналы. Приемные устройства срабатывают при достижении температуры шеек осей колесных пар определенного значения, зависящего от настройки прибора. В сочетании с рельсовыми педалями система ПОНАБ контролирует наличие нагретых букс и определяет их порядковый номер.

Оптоэлектрические преобразователи используются для бесконтактных измерений разнообразных физических величин. Чаще всего под действием измеряемой величины изменяется интенсивность излучения, например, вследствие изменения температуры излучателя, изменения поглощения или рассеяния оптического канала, однако могут изменяться также фазовый сдвиг между колебаниями в двух лучах, вызываемый разностью оптического хода этих лучей, частота идлина волны излучения, генерируемого источником.

В преобразователях излучений выходная электрическая величина функционально связана с характеристиками излучения. В зависимости от вида излучения различают оптоэлектрические и ионизационные преобразователи.

В оптоэлектрическихпреобразователях используется оптическое излучение видимого, инфракрасного или ультрафиолетового диапазона. Источниками излучения могут служить лампы накаливания, газоразрядные лампы, светодиоды и лазеры. В качестве приемников излучения чаще всего применяют фотоэлементы, фотоумножители, фоторезисторы, фотодиоды ифототранзисторы. Следует отметить, что фотоэлементы являются генераторными преобразователями, а фотодиоды могут быть генераторными или параметрическими преобразователями.

Оптоэлектрический преобразователь измеряемой величины или в выходную электрическую величину содержит источник излучения ИИ потока , некоторый оптический канал ОК и приемник излучения ПИ, воспринимающий поток и преобразующий его вэлектрическую величину (рис.5.4).

Рис.5.6. Структурная схема оптоэлектрического преобразователя

Воздействие измеряемой величины на поток излучения может осуществляться двумя путями. В первом случае измеряемая величина воздействует непосредственно на источник излучения и изменяет тот или иной параметр излучаемого потока . Во втором случае измеряемая величина модулирует соответствующий параметр потока в процессе его распространения по оптическому каналу.

5.2.12 Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрические преобразователи основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, сёгнетовой соли и др.) под влиянием механических напряжений. Это преобразователи генераторного типа, однако, их выходная мощность мала, поэтому к выходу преобразователя должен быть подключен измерительный усилитель с возможно большим входным сопротивлением (1011Ом и более).

В пьезоэлектрических преобразователях применяют главным образом кварц, который обладает высокой механической прочностью и очень слабой зависимостью параметров от температуры.

5.2.13 Тензочувствительные преобразователи (тензорезисторы)

Принцип действия термопреобразователей сопротивления (терморезисторов) основан на зависимости электрического сопротивления проводников и полупроводников от температуры. В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении сопротивления резисторов, выполненных из проводников или полупроводников, при их механической деформации.

Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности

, (5.7)

где - относительное изменение сопротивления резистора;

- относительное изменение линейного размера резистора.

В настоящее время наиболее широко используются наклеиваемые тензопреобразователи (рис.3.3).

Рис. 5.7. Тензочувствительный преобразователь

Преобразователь представляет собой тонкую зигзагообразно уложенную и приклеенную к полоске бумаги (подложке 1) проволоку 2 (проволочную решетку). Преобразователь включается в схему с помощью привариваемых или припаиваемых выводов 3. Преобразователь наклеивается на поверхность исследуемой детали так, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с продольной осью решетки.

Для изготовления преобразователей применяется главным образом проволока диаметром 0,02--0,05 мм из константана, имеющего коэффициент . Применяются также фольговые и пленочные тензорезисторы, габаритные размеры которых меньше габаритных размеров проволочных тензорезисторов.

Изменение температуры вызывает изменение функции преобразования тензорезисторов, что объясняется температурной зависимостью сопротивления преобразователя и различием температурных коэффициентов линейного расширения материала тензорезистора и исследуемой детали. Влияние температуры устраняется обычно путем применения соответствующих методов температурной компенсации.

Для измерения выходной величины тензорезисторного преобразователя чаще всего применяют мостовые схемы. Тензорезисторы всех типов находят широкое применение для измерения деформаций, усилий, давлений, моментов и т. п.

Широкое распространение на практике получили более дешевые медные терморезисторы, имеющие линейную зависимость сопротивления от температуры:

, при , (5.8)

где

Недостатком меди является небольшое ее удельное сопротивление и легкая окисляемость при высоких температурах, вследствие чего конечный предел применения медных термометров сопротивления ограничивается температурой 180 . По стабильности и воспроизводимости характеристик медные терморезисторы уступают платиновым.

Стандартные платиновые термометры сопротивления имеют обозначение ТСП, а медные ТСМ. При температуре 0 сопротивления термометров равно: платиновых 1; 5; 1О; 50; 100; 500 Ом, медных 10,50, 100 Ом.

Для измерения температуры наиболее распространены полупроводниковые терморезисторы типов КМТ (смесь окислов кобальта и марганца) и ММТ (смесь окислов меди и марганца).

Термисторы имеют нелинейную функцию преобразования, которая достаточно хорошо описывается формулой

, (5.9)

где - абсолютная температура; - коэффициент, имеющий размерность сопротивления; - коэффициент, имеющий размерность температуры.

По сравнению с металлическими тензорезисторами более высокой чувствительностью обладают полупроводниковые терморезисторы (термитсоры). Они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, значение которого при 20 составляет , т. е. на порядок больше, чем у меди и платины. Полупроводниковые терморезисторы при весьма малых размерах имеют высокие значения сопротивления (до 1МОм).

Кроме нелинейности функции преобразования, недостатком термисторов является плохая воспроизводимость характеристик, т.е. значительное отличие характеристик одного экземпляра от другого.

5.3 Повышение показателей надежности (безопасности и безотказности) МПЦ путем резервирования. Анализ эффективности систем резервирования

Современные системы, с использованием идентификации подвижного состава, построены на основе точечных путевых датчиков (ТПД), которые в развитых странах во многом определяют общую эффективность автоматических систем управления движением поездов. Актуальность новых разработок и широкого внедрения современных точечных путевых датчиков в странах СНГ в настоящее время также вызвано созданием международных транспортных коридоров, в которых применяются системы идентификации подвижного состава. Такие наиболее известные датчики обнаружения транспортных средств, как рельсовые цепи, фотоэлектрические устройства, шлейфы не решают задачи высокой точности позиционирования оси колесной пары, надежного счета осей, что необходимо для современных систем управления движением поездов. Чтобы повысить степень надежности устройств железнодорожной автоматики и телемеханики необходимо дублировать одни датчики информации о состоянии путевых участков другими, т.е. возникает потребность в резервировании аппаратуры.

Резервирование может иметь разную структуру и принцип функционирования. Каждая резервируемая структура имеет свои собственные показатели безопасности, безотказности, надежности и потому применения той или другой конфигурации, определяется необходимыми уровнями этих показателей для данной системы.

При построении безопасных структур в настоящее время больше всего применяют двухканальные и трехканальные (мажоритарные) структуры. Проведем анализ этих структур. Двухканальная (дублируемая) система, которую называют “два из двух ”. Состояния системы в зависимости от состояний каналов приведены в табл. VI.

Таблица VI. Состояния системы в зависимости от состояний каналов

Состояние	Состояние системы “два из двух ”
ТПД 1	ТПД 2
Работоспособное	Работоспособное	Работоспособное
Работоспособное	Неработоспособное	Защитное
Неработоспособное	Работоспособное	Защитное
Неработоспособное	Неработоспособное	Опасное

Один канал називається система “один из одного”. Система работоспособна только в том случае, когда работоспособные оба канала. Если известная интенсивность отказов одного канала, то показатели безотказности одного канала рассчитываются по формулам:

; (5.10)

; (5.11)

. (5.12)

Система “два из двух ” работоспособная только в том случае, когда работоспособные оба канала, тогда

; (5.13)

; (5.14)

; (5.15)

. (5.16)

Система переходит в опасное состояние, когда не работоспособные оба канала. Поэтому

; (5.17)

; (5.18)

; (5.19)

. (5.20)

На (рис.5.8) показанный график отношения вероятности безопасности двухканальной системы к одноканальной в зависимости от интенсивности отказов.

Для данного момента времени t вероятность безопасной работы системы “два из двух” увеличивается в сравнении с вероятностью безопасной работы одного канала у

( раз, так как

=); (5.20)



Рис.5.8 График соотношения безопасности двухканальной и одноканальной систем (отношение вероятностей безотказности)

Отсюда можно сделать вывод, что вероятность безопасной работы двухканальной системы “два из двух” не может быть больше, чем вероятность безопасной работы одного канала в 2 раза. Например, при t=10t это увеличение составляет 1.999955. Чтобы получить большее повышение безопасности, необходимо повышать число каналов(кратность резервирования) в многоканальной системе. Если сравнить двухканальную и одноканальную системы за показателем безотказности (рис.5.9.),

Рис.5.9 График соотношения безотказности двухканальной и одноканальной систем (отношение вероятностей безотказности)

то видим, что один канал имеет преимущество над двумя в этом аспекте. В результате чего имеет место уравнение :

(5.21)

Поэтому по отношению к одному каналу в двухканальной системе “два из двух” для дорогого момента времени ti приращивания вероятности безопасной работы равняется уменьшение вероятностей безотказной работы. В системе “два из двух” есть существенный недостаток: безопасность обеспечивается за счет уменьшения безотказности.

Наиболее чаще при построении систем используют трехканальные мажоритарные структуры( “два из трех”). В табл.VII приведеннахарактеристика состояний мажоритарной системы в зависимости от состояния каналов.

ТаблицаVII. Приведенная характеристика состояний мажоритарной системы в зависимости от состояния каналов.

Состояние	Состояние системы “два из трех”
3№	ТПД 1	ТПД 2	ТПД 3
1	Работоспособное	Работоспособное	Работоспособное	Работоспособное
2	Работоспособное	Работоспособное	Неработоспособное	Работоспособное
3	Работоспособное	Неработоспособное	Работоспособное	Работоспособное
4	Работоспособное	Неработоспособное	Неработоспособное	Опасное
5	Неработоспособное	Работоспособное	Работоспособное	Работоспособное
6	Неработоспособное	Работоспособное	Неработоспособное	Опасное
7	Неработоспособное	Неработоспособное	Работоспособное	Опасное
8	Неработоспособное	Неработоспособное	Неработоспособное	Опасное

Состояние всей системы может быть работоспособным (Р) или опасным (О). Из данной таблицы вытекает принцип работы мажоритарной системы “два из трех”:система работоспособна, если будут работоспособными хотя бы два канала из трех; при отказе двух каналов система переходит в опасное состояние; защитных состояний не существует. Показатели безотказности системы “два из трех”, согласно к табл., расчитываются по формулам:

; (5.22)

; (5.23)

; (5.24)

Так как все отказы системы “два из трех” являются опасными, то имеют место следующие уравнения:

(5.26)

(5.27)

. (5.28)

Из графика соотношения безотказности систем “ два из трех ” и “ два из двух” (рис.5.10) видно, что безотказность мажоритарной системы превышает безотказность системы “ два из двух ” при всех значениях л t.

Из графика соотношения безотказности систем “ два из трех ” и “ два из двух” (рис.5.10) видно, что безотказность мажоритарной системы превышает безотказность системы “ два из двух ” при всех значенияхи “ два из двух” (рис.5.11) в области малых значений л t(л t>0.2) это уменьшение не существенно. Например, при л t=0.2 по отношению к системе “ два из двух ” безопасность мажоритарной системы уменьшается на 5.5%,в то время безотказность увеличивается на 36.3%.

Рис.5.10 График соотношения безотказности мажоритарной и двухканальной систем (отношение вероятностей безотказности)

Рис.5.11 График соотношения безопасности мажоритарной и двухканальной систем (отношение вероятностей безопасности)

В сравнении с системой “ два из двух ” относительноеизменение интенсивностиотказов системы “ два из трех ” равняетсяизменению интенсивностиопасных отказов. В целом система “ два из двух ” в сравнении с системой “ два из трех ” дает существенноеувеличение безотказности при увеличенномуменьшении безопасности.

Чтобы улучшить показатели безопасности мажоритарной структуры, храня при этом тот же уровень безотказности, применим систему “ два из трех ” с реконфигурацией. В этой системе при отказе одного канала выходы этого канала отключаются и структура “ два из трех ” трансформируется в структуру “ два из двух”. На табл. VIII приведенная таблица состояний системы “ два из трех ” с реконфигурацией.

ТаблицаVIII. Характеристика состояний системы “ два из трех ” с реконфигурацией

Состояние	Состояние системы “два из трех”
№	ТПД 1	ТПД 2	ТПД 3
1	Работоспособное	Работоспособное	Работоспособное	Работоспособное
2	Работоспособное	Работоспособное	Неработоспособное	Работоспособное
3	Работоспособное	Неработоспособное	Работоспособное	Работоспособное
4	Работоспособное	Неработоспособное	Неработоспособное	Защитное
5	Неработоспособное	Работоспособное	Работоспособное	Работоспособное
6	Неработоспособное	Работоспособное	Неработоспособное	Защитное
7	Неработоспособное	Неработоспособное	Работоспособное	Защитное
8	Неработоспособное	Неработоспособное	Неработоспособное	Опасное

У нее в отличие от системы “ два из трех ” состояния №3,5 но 6 является защитными.

Поэтому :

; (5.29)

; (5.30)

=. (5.31)

Отношение вероятностей безопасности системы “ два из трех ” с реконфигурацией к одноканальной системе выражается следующим выражением:

=; (5.32)

Таким образом, в области больших значений л t вероятность безопасной работы системы “ два из трех ” из ре конфигурацией в три раза превышает величину ,так как опасный отказ возникает при одновременном отказе всех трех каналов. В то же время величина превышает величину в 1.5 раза, так как опасный отказ в системе “ два из двух ” возникают при одновременном отказе двух каналов ( рис.5.12).

Выражение соотношения за которым строится данный график:

=; (5.33)



Рис.5.12График соотношения безопасности “ два из трех ” с реконфигурацией и двухканальной систем (отношение вероятностей безопасности)

С точки зрения безотказности в области малых значений лt наилучшие показатели имеют мажоритарная система “ два из трех ” но система с реконфигурацией. Особенно это преимущество перед вторыми системами очень большое при высокой надежности одного канала[1,8].

В областе большых значений л t безотказность структур “ два из трех” и “два из трех ” с реконфигурацией становится меньше безотказности одного канала. Например, в системы “ два из трех ” это проходить при л t>0.69. При л t>? эти системы реконфигурируются в дублируемые системы и их интенсивность отказов приближается к величине 2 л. Проходить это потому, что в структуре “ два из трех ” с реконфигурацией приоритет безопасности за счет безотказности. Этими обстоятельствами объясняется тот факт, что одноканальная система имеет наибольшее значение средней наработка на отказ

. (5.34)

С точки зрения безопасности наилучшие показатели имеет система “ два из трех ” с реконфигурацией в сравнении с системой “ два из трех ” (рис.5.13).

Рис.5.13 График соотношения безопасности систем“ два из трех ” и “ два из трех ” с реконфигурацией (отношение вероятностей безотказности)

В области малых значений эта система обеспечивает высокий уровень безопасности. В структуре “ два из трех ” с реконфигурацией успешно совмещаются высокие качества безотказности мажоритарных структур и высокие качества безопасности коньюктивного совпадания. Система “ два из трех ” с реконфигурацией имеет наибольшие значения средней наработки к опасному отказу.

В табл. IX приведенные формулы для расчета показателей безотказности и безопасности основных структур.

Таблица IX. Показателей безотказности и безопасности основных структур.

Показатель	Система
	“1 из 1”	“2 из 2”	“2 из 3”	“2 из 3Р”

Системы “ два из трех ” но “ два из трех ” с реконфигурацией действительно имеют красивые показатели надежности, но если речь идет об этих структурах как системах, которые отвечают за выдачу важной информации, то здесь есть некоторые недостатки. Например, возьмем структуру “ два из трех ” с реконфигурацией .Эта структура работоспособна, когда два канала работоспособные, а третий - нет. Как поведет себя система в этом случае, например, если работоспособный канал выдаст ошибочную информацию? Да, система будет находиться в работоспособном, но какую информацию она выдаст на выходе, какая команда будет принята и как она повлияет на последующий процесс функционирования аппаратуры ЭЦ. Отсюда возникает проблема надежности работы централизации из-за недостоверной информации. Много отказов на станции возникают по поводу неверных и ошибочных данных. Решением этой проблемы является применение структуры “три из трех”. Такая система работает по следующему принципу: все три каналы работоспособны (и дают одинаковую информацию) - состояние структуры работоспособно (на выходе системы достоверная информация); если один или два канала неработоспособные система переходит в защитное состояние (информация классифицируется как недостоверная); если все каналы неработоспособны состояние системы классифицируется как опасный отказ. Таблица состояний структуры “три из трех” приведенная в табл.X.

Таблица X. Характеристика состояний структуры “три из трех”

Состояние	Состояние системы “два из трех”
3№	ТПД 1	ТПД 2	ТПД 3
1	Работоспособное	Работоспособное	Работоспособное	Работоспособное
2	Работоспособное	Работоспособное	Неработоспособное	Защитное
3	Работоспособное	Неработоспособное	Работоспособное	Защитное
4	Работоспособное	Неработоспособное	Неработоспособное	Защитное
5	Неработоспособное	Работоспособное	Работоспособное	Защитное
6	Неработоспособное	Работоспособное	Неработоспособное	Защитное
7	Неработоспособное	Неработоспособное	Работоспособное	Защитное
8	Неработоспособное	Неработоспособное	Неработоспособное	Опасное

В сравнении со структурами “ два из трех ” но “ два из трех ” с реконфигурацией система “три из трех” имеет меньший показатель по безотказности (рис.5.14) и одинаковый по безопасности, это предопределено тем, что система в большинстве случаев переходит в защитное состояние.



Рис.5.14 График соотношения безотказности систем “ два из трех ” с реконфигурацией система и “три из трех” (отношение вероятностей безотказности)

Такой принцип работы объясняется назначением данной структуры, как информационной. Поэтому важность принятия правильного решения (или получение достоверной информации) есть более

приоритетным, а отсюда и меньшие показатели по безотказности. Преимущество здесь заключается в четком разграничении состояния системы с исключением всех ситуаций, которые могли бы повлиять на последующую работу всей структуры. Показатели безотказности и безопасности рассчитываются за формулами:

; (5.35)

; (5.36)

На рис.5.15 приведенная графика зависимостей вероятностей безотказности от интенсивности отказов всех систем.

Рис.5.15 График зависимости вероятности безотказности от интенсивности отказов

Где кривая №1 - зависимость вероятности безотказности от интенсивности отказов систем “ два из трех ” и “ два из трех ” с реконфигурацией; кривая № 2 - система “ два из двух ”, кривая №3 - “ три из трех ” и кривая №4 - “ один из одного”.

Из рис.5.15 видно, что при малых значениях интенсивности отказов показатели безотказности приблизительно одинаковые, и только с увеличением t каждая структура ведет себя по-разному. И это необходимо учитывать при проведении периодических профилактических проверок.

На рис.5.16 приведен график зависимости вероятности безопасности от интенсивности отказов всех систем.



Рис.5.16 График зависимости вероятности безопасности от интенсивности отказов

Где кривая №1 - зависимость вероятности безопасности от интенсивности отказов системы “ один из одного ”; кривая № 2 - система “ два из двух ” , кривая №3 - “ два из трех ” и кривая №4 - “ два из трех ” с реконфигурациейи “ три из трех ” . Проанализировав график, изображенный на рис.3.22, можно сделать 100% вывод, что наиболее безопасной системой является “ два из трех ” с реконфигурацией. Но применение той или другой структуры зависит от условий эксплуатации, нормативных требований безопасности, назначения системы, за функционированием, экономичности применения но др.. На рис.5.13 и рис.5.14 приведены структуры системы резервирования: “ три из трех ” и “ два из трех ”.

Рис. 5.17 Структура системы резервирования “ три из трех ”

Рис. 5.18 Структура системы резервирования “ два из трех ”

Итак, кроме вероятностных оценок показателей безопасности также необходимо отметить, что наибольшая актуальность в разработке новых первичных преобразователей ТПД и обработке измеряемой ими информации связана с проектированием современных сложных автоматических систем железнодорожной автоматики и телемеханики. Таким образом, развитие теоретических основ эффективного функционирования ТПД, их совершенствования, является актуальной научной задачей, а также имеет большое значение для всего железнодорожного транспорта Украины.

5.4 Обеспечение надежного электропитания МПЦ

Следущая проблема функционирования МПЦ связана с электропитанием ее аппаратуры. Устройства ЭЦ должны иметь два независимых источника питания, которые резервируют один другого. Независимым источником питания есть такой источник, на каком сохраняется напряжение при отключении его на других (другом) источниках. Подведение напряжения питани як посту ЭЦ должно бать выполнено самостоятельными линиями питания - фидерами. Каждый из фидеров выполнен в виде четырехжильного кабеля (три жили и фаза), сечение которого расчитывается на максимальный ток нагрузки.

Кроме того, в качестве резервного питания устройств ЭЦ могут быть использованы электростанции с автоматизированным дизель-генератором (ДГА), являющимся для потребителей третьим независимым источником питания. Системой питания должен обеспечиваться автоматический запуск ДГА при соблюдении условия, что эти электростанции обслуживают только устройства СЦБ и связи. При наличии свободной мощности ДГА может быть использован для питания негарантированного освещения и общей вентиляции здания поста. Запас топлива для ДГА должен обеспечивать работу дизель-генератора в течение 2 суток.

Дополнительно для питания устройств СЦБ и связи должен предусматриваться аккумуляторный резерв. Таким образом, компьютерные ЭЦ являются потребителями электроэнергии 1 категории и должны получать питание от двух независимых источников энергии по двум фидерам, а на крупных станциях дополняться ДГА с автоматическим переключением с одного фидера на другой в случае пропадания напряжения.

Наличие вычислительных средств в составе систем ЭЦ предъявляет дополнительные требования к электропитанию. К сожалению, параметры электросетей не всегда соответствуют норме, поэтому актуален вопрос о гарантированном питании системы в случае возникновения неполадок электросети. К повреждениям относятся любые отклонения параметров питающею напряжения от установленных стандартом значений. Основными неполадками сетевого питания являются: аварии сети (полное пропадание напряжения); долговременные и кратковременные подсадки и всплески напряжения; высоковольтные импульсные помехи; высокочастотный шум; выбег частоты.

Электронное оборудование компьютерных систем ЭЦ в процессе эксплуатации оказывается под воздействием различных электромагнитных помех, большая часть которых распространяется по цепям электропитания. Применение двух независимых фидеров питания позволяет только значительно снизить вероятность полного пропадания сетевого напряжения, но остается зависимость системы от качества этого напряжения.

Эти факторы могут вызвать не только сбои в работе компьютера или другого электронного оборудования и потерю данных, но и необратимые процессы разрушения программного продукта, а также выход из строя аппаратуры. Статистика повреждений микропроцессорных устройств приведена на рис. 5.19.

Рис.5.19 Диаграмма повреждений микропроцессорных устройств в зависимости от факторов воздействия.

Судя по данным из диаграммы 75% всех повреждений микропроцессорных устройств возникает по причине перенапряжений.

Статистика также свидетельствует, что по причинам, связанным со сбоями в электросети, в 75 % случаев происходит потеря информации и в 65 % выходит из строя электронное оборудование. Искаженное, нестабильное электропитание системы отрицательно воздействует на файл-серверы, рабочие станции и сетевую аппаратуру (концентраторы, маршрутизаторы, коммутаторы, мосты и пр.). Так, со снижением напряжения возрастает потребляемый ток, в результате растет температура внутри корпуса системного блока, монитора, модемов и других периферийных устройств. Повышенная температура значительно сокращает срок службы многих элементов, особенно электролитических конденсаторов, приводит к выходу из строя полупроводниковых элементов. Например, перенапряжений с амплитудойот десятков вольт до нескольких киловольт, которые возникают вследствие процессов коммутацииили при воздействии электростатических разрядов, являються “ смертельными ” для внутренних микроэлементов микросхем и процессоров. По данным обычные транзисторы (дискретные элементы) могут выдерживать напряжение электростатического разряда в 70 раз больше, нежели, например, микрочип памяти (EPROM) микропроцессорной системы. Самое плохое то, что случайные сбои в работе микропроцессора, которые возникли в результате воздействия электромагнитных шумов, могут бать временными, такими как самопроизвольное изменение содержание оперативной памяти (RAM) и регистров, а внутренние повреждения могут носить внутренний характер. Оба эти вида повреждения не определяются никакими тестами и могут проявляться в самые неподходящие моменты. Поэтому в связи с низкой устойчивостью даного оборудования к переходным процессам и перенапряжениям необходимо предьявлять жесткие требования к защите от электромагнитных помех.

Существует два подхода использования УБП в компьютерных ЭЦ.

Первый подход, используемый, например, в системе РПЦ «Диалог», предполагает питание от УБП только вычислительных средств, а все остальные устройства ЭЦ (реле, стрелки, сигналы) соединены с традиционными панелями питания. В этом случае для каждого (основного и резервного) комплектов АРМ ДСП, для АРМ ШН устанавливаются индивидуальные маломощные (до 1000 ВА) УБП с продолжительностью питания 10--15 мин при пропадании гарантированного напряжения. Непрерывность функционирования компьютерного оборудования сопряжения с ЭЦ обеспечивается подачей постоянного тока напряжением 24 В с аккумуляторным резервом от контрольной батареи поста ЭЦ.

Главный недостаток традиционных панелей в составе безбатерейной системы питания -- при пропадании внешних фидеров от аккумуляторного резерва обеспечивается питание только реле. Нормальное действие других устройств прекращается: отсутствует контроль положения стрелок, не переводятся стрелки с двигателями переменного тока и нарушается светофорная сигнализация на станции, за исключением заградительной на входных светофорах. Считается, что прекращение работы ЭЦ по причине отсутствия электроэнергии не влечет за собой угрозы нарушения условий безопасности перевозочного процесса. Однако косвенная угроза остается, поскольку персонал вынужден регулировать движение без технических средств, что, кроме того, приводит к потерям в движении из-за перехода станции на курбельное управление.

Условием бесперебойной работы ЭЦ является постоянное электропитание. Поэтому второй подход предполагает использование в составе системы питания мощных УБП, полностью обеспечивающих электроснабжение всех устройств ЭЦ не менее чем в течение 1 ч. Такая продолжительность обусловлена усредненным нормативом времени прибытия обслуживающего персонала для устранения отказа.

Устройства безперебойного питания должны решать две основные задачи : обеспечение приемлемого качества электроэнергии на выходе, ликвидируя потенциальные возмущения входного напряжения,и выполнение роли резервного источника энергии в случае полного пропадания (или отклонения за пределы установленных норм) входного напряжения.

В состав любого УБП входят следующие элементы: входной фильтр (ВФ), включающий в себя радиочастотный фильтр и подавитель импульсов; аккумуляторная батарея (АКБ) с зарядным устройством (ЗУ); инвертор--преобразователь постоянного тока в переменный; в некоторых типах УБП -- преобразователь постоянного тока в постоянный ток другого номинала (конвертор); в некоторых типах УБП--различные трансформаторные развязки между выходом и входом;

Способность УБП обеспечить заданные качество и бесперебойность питания нагрузки определяется главным образом его внутренней архитектурой или классом.

В соответствии с международным стандартом IEC60146-4 различают три класса источников: off-line (standby), line-interactive, on-line.

В УБП класса off-lineэлектроэнергия внешнего источника снабжения через подавитель импульсов и радиочастотный фильтр передается на нагрузку (рис. 3.11).

Рис.5.20 Функциональная схемаoff-line устройства бесперебойного питания

В случае недопустимых возмущений или полного пропадания входного напряжения специальные ключи переводят подключаемую к УБП нагрузку на АКБ и инвертор. Общим недостатком таких УБП является время переключения на резервный источник, при котором на выходе устройства возникает разрыв синусоиды напряжения на время 1--15 мс.

Ввиду большой суммарной входной емкости блоков питания ПЭВМ, достаточной для поддержания номинального напряжения на силовых элементах схемы в течение такого промежутка времени (менее четверти периода синусоиды), в цепях вторичного электропитания компьютеров перерыва в электроснабжении не произойдет. Однако для некоторых потребителей такой перерыв недопустим. К ним относятся, например, потребители с линейными (трансформаторными) блоками питания, маломощное (с точки зрения потребляемого тока) сетевое оборудование (репитеры, концентраторы, коммутаторы и др.).

Недостатком УБП off-line также является его неудовлетворительная работа при низком качестве входного напряжения, когда имеют место частые переключения на батарею и обратно. При этом трудно восстанавливается емкость аккумулятора.

Главными преимуществами таких УБП являются высокий КПД и простота схемотехнических решений.

Схема УБП on-line построена по принципу двойного преобразования энергии (рис.5.21).

Рис.5.21Функциональная схема on-line устройства бесперебойного питания

Входное напряжение через фильтрующие элементы поступает на выпрямитель, затем на инвертор и далее на нагрузку. На входе и выходе этой цепи могут стоять трансформаторные развязки. АКБ подключена к инвертору, и в случае пропадания напряжения входной сети нагрузка безобрывно переходит на питание от АБ. В случае нарушения работы какого-либо из элементов входное напряжение напрямую коммутируется на нагрузку (режим обхода--by-passmode).

Такая технология имеет свои недостатки: снижение ресурса АБ, относительно низкий КПД, ограниченные динамические и перегрузочные возможности.

Однако бесспорными преимуществами УБП on-line являются: отсутствие разрыва кривой выходного напряжения при переходе на резервный источник; синусоидальность форм выходного напряжения в любом режиме работы; лучшие, по сравнению с другими УБП, стабилизационные и помехоподавляющие характеристики. Поэтому они находят применение для электропитания файловых серверов, телекоммуникационных систем, в АСУ управления ответственными технологическими комплексами, к которым относятся системы ЭЦ, и др.

УБП класса line-interactive представляют собой разнообразные гибриды on-line и off-line-систем. Их объединяет тот факт, что, являясь по своей природе системами типа off-line (прерываемыми), они снабжают нагрузку в той или иной степени стабилизированным напряжением при питании от сети.

Все перечисленные особенности должны быть обязательно учтены при проектировании и внедрении новых микропроцессорных централизаций.

ВЫВОДЫ

В работе решена важная научно-практическая задача повышения безопасности европейских и отечественных микропроцессорных систем управления движением поездов при их совместном использовании, а также оценки безопасности систем в соответствие с техническими спецификациями интероперабельности.

Системы управления движением поездов на украинских железных дорогах, в большей части, морально и физически устарели, степень изношенности основных технических средств на дорогах составляет более 80%. Такое состояние вызывает необходимость замены устаревших систем на новые микроэлектронные и компьютерные системы управления с использованием современных информационно-управляющиъ технологий.

Интеграция украинских железных дорог в общеевропейскую транспортную систему выдвигает требования гармонизации организационных мероприятий и технических решений для беспрепятственного быстрого и безопасного перемещения грузов и пассажиров к пункту назначения на межгосударственном пространстве.

Реорганизация украинских железных дорог должна проходить с учетом обязательных директив и технических спецификаций интероперабельности в области железнодорожного транспорта, принятых в Евросоюзе.

Системы управления движением поездов должны строиться в соответствии с разработанной в Европе системой ERTMS/ETCS на перегоне и микропроцессорных систем управления движением на станциях.

Системы ERTMS и МПЦ на первых стадиях внедрения планируются для использования с национальными напольными устройства СЦБ: рельсовыми цепями, стрелочными переводами, светофорами.

Применение микроэлектронных и компьютерных систем управления движением поездов увеличивает актуальность проблемы обеспечения их функциональной безопасности, что особенно важно на первой стадии внедрения, поскольку при поэтапном вводе в эксплуатацию новых систем, они будут функционировать параллельно со старыми устройствами СЦБ.

Внедряемые в Украине в последние годы устройства МПЦ разработаны без учета их увязки с европейскими системами.

Функциональная безопасность систем управления движением поездов в соответствии с европейскими нормативными документами (Директивами, ТСИ) и национальными нормативными документами должна обеспечиваться на всем жизненном цикле системы от разработки коннцепции и проектирования до вывода из эксплуатации и утилизации.

Разработаны схемные решения увязки европейской системы управления движением поездов ERTMS и МПЦ

Проведен анализ безопасности совместного использования Европейской системы управления движения поездов ERTMS с микропроцессорной централизацией Ebilock-950.

Оценены показатели надежности (безопасности и безотказности) резервируемых безопасных структур на основе тех же путевых датчиках.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ