V000343 Дипломная работа Оборудование микропроцессорной централизацией системы ЭЦ-ЕМ станции Крюково

Темой данного дипломного проекта является оборудование микропроцессорной централизацией системы ЭЦ-ЕМ станции Крюково.

В дипломном проекте произведен обзор современных микропроцессорных систем, описана краткая  история развития микропроцессорных систем в России, а также внедрение современных микропроцессорных систем. Затронута проблема обеспечения безопасности микропроцессорных систем. Описана система МПЦ ЭЦ-ЕМ, а также технико-эксплуатационные требования к ней, эксплуатационная характеристика оборудуемой станции и функционирование аппаратуры УВК РА.  

ВВЕДЕНИЕ

Выгодное географическое положение и развитая транспортная инфраструктура России в последние годы становятся все более востребованными при организации международных транспортных коридоров, обеспечивающих ускоренное перемещение массовых грузов с одной части Евразийского континента в другую. Структурная реформа железнодорожного транспорта призвана существенно повысить конкурентоспособность России на рынках международных перевозок за счет сокращения времени доставки, повышения безопасности движения, сохранности груза, снижения себестоимости перевозок. [??]

Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2030 года и Стратегия развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 года на современном этапе усовершенствования компании характеризуется комплексной оптимизацией бизнес-процессов, совершенствованием структуры и принципов управления, укреплением корпоративной культуры и ставит в числе прочих задач, установленных, достижение целевых ориентиров по безопасности движения и снижение уровня аварийности. Стратегия обеспечения гарантированной безопасности и надежности перевозочного процесса в холдинге «РЖД» призвана способствовать решению этих задач, действие которой охватывает все подразделения и предприятия холдинга; стратегия обеспечения гарантированной безопасности и надежности перевозочного процесса предусматривает переход к новой системе управления безопасностью движения, основанной на современных принципах, методах и инструментах. Это и совершенствование технологической базы, и формирование кадровой политики, и решение задач технического перевооружения компании в среднесрочной и долгосрочной перспективе. С периода образования компании обеспечено снижение ряда нарушений безопасности, в том числе сходов подвижного состава в организованных поездах, изломов рельсов, проездов запрещающих сигналов светофоров, столкновений и сходов подвижного состава при выполнении маневровых передвижений, отцепок вагонов от поездов из-за нагрева букс или других технических неисправностей.

Продуктивное взаимодействие участников транспортного рынка должно базироваться на современных средствах электронной коммуникации, инновационных программных обеспечениях и технических средствах. [??]

Станционные системы автоматики на железнодорожном транспорте в настоящее время в большинстве своем построены на электромагнитных реле. Основными недостатками релейных систем является их громоздкость, значительное потребление электроэнергии, высокая материалоемкость, сложность сопряжения с управляющими системами более высокого уровня для полной автоматизации технологических процессов на станциях.

Микропроцессорные устройства (МПУ), приходящие на смену электромеханическим и электронным, способствуют повышению эксплуатационных характеристик систем ЖАТС. Как правило, МПУ содержат значительно меньшее число электронных компонентов и благодаря этому имеют более высокую надежность, меньшие габариты и вес, чем их предшественники. Они обладают большими функциональными возможностями, легче вписываются в структуру современных технологических систем, могут иметь встроенные автодиагностику и удаленный мониторинг.

В то же время разработка, внедрение и эксплуатация МПУ вызывают определенные сложности. Прежде всего, это связано с тем, что для большинства специалистов, занятых эксплуатацией железнодорожной автоматики, МПУ представляются некими «черными ящиками», работу которых можно уяснить только по описаниям, которые не всегда соответствуют истине.

 Принята обширная программа обновления уст¬ройств СЦБ, замены устаревших релейных устройств. Однако новые релейные устройства, в отличие от централизации компьютерного типа, не могут дать качественный скачок в развитии устройств железно¬дорожной автоматики. Поэтому самым перспективным направлением в развитии устройств СЦБ является внедрение микропроцессорных или релейно – процессорных систем.  

  В централизации релейного типа имеется значи¬тельное количество элементов, отказ которых при¬водит к выходу из строя практически всей системы. Попытки дублировать или резервировать такие эле¬менты существенных положительных результатов не дали. Из-за возникающих перенапряжений происхо¬дят случаи возгорания релейных помещений. По-вреждения кабельных магистралей, в том числе и по причинам попадания в них токов тяговой электросе¬ти, приводят к длительным срокам восстановления действия централизации.

Централизация компьютерного типа в этом отно¬шении обладает более высокими показателями на¬дежности за счет использования возможностей элек¬тронных технологий и 100 %-го горячего резервирования основных элементов системы.

Наличие мощной системы самодиагностики по¬зволяет выявлять предотказное состояние элементов централизации, контролировать все отказы с выво¬дом их на экран рабочего места электромеханика.

 Централизация релейного типа требует более вы¬соких материальных и трудовых затрат на ее эксплу¬атацию. Прежде всего, это связано с наличием большого количества электромагнитных реле (более 100 шт. на одну стрелку), которые необходимо прове¬рять перед вводом в действие централизации и с определенной периодичностью в процессе эксплуа¬тации. Кроме того, немало времени тратится на обслуживание пульта управления, табло и магист¬ральной кабельной сети со всеми сопутствующими элементами (кроссом, муфтами, кабельными ко¬лодцами, нишами и т. д.).

Централизации компьютерного типа имеют ряд преимуществ при внедрении информационных тех¬нологий в перевозочный процесс и в управление рабо¬той структурных подразделений железнодорожного транспорта. Они служат удобным связующим звеном между первичными источниками получения инфор¬мации (подвижным составом, объектами СЦБ и др.) и системами управления более высокого уровня и позволяют довольно простым способом их увязы¬вать без дополнительных надстроек, что невозмож¬но сделать при использовании централизации релей¬ного типа.

Компьютерные централизации можно ввести в эксплуатацию без строительства помещений для раз¬мещения постовых устройств. Для этого используют¬ся здания существующих постов или приспосаблива¬ются помещения других служебно-технических зданий. Это очень важно при модернизации ЭЦ релейного типа.

Кроме того, значительно снижается стоимость, и уменьшаются сроки строительно-монтажных (сокра¬щение количества реле, стативов и кабеля) и пуско¬-наладочных работ (отсутствие необходимости про¬звонки монтажа, изготовления и установки громоздких макетов и т. д.).

К преимуществам систем микропроцессорной централизации (МПЦ) по сравнению с релей¬ными системами централизации, в частности, отно-сятся:

― более высокий уровень надежности за счет дубли¬рования  многих узлов и  непрерывного обмена ин¬формацией  между этим  процессором  и объектами управления и контроля (что также способствует по¬вышению уровня безопасности);

― возможность управления объектами многих стан¬ции и перегонов с одного рабочего места;

― возможность интеграции управления перегонными устройствами СЦБ и при¬борами контроля состояния подвижного состава в одном станционном процес¬сорном устройстве,

― предоставление эксплуатационному и техническому персоналу расширенной информации о состоянии устройств СЦБ на станции с возможностью передачи ее и другой информации в региональный центр управления перевозками,

―  наличие встроенного диагностического контроля состояния аппаратных  средств централизации и объ¬ектов управления и контроля,

―  возможность непрерывного протоколирования действий эксплуатационного персонала по управле¬нию объектами и всей поездной ситуации на стан¬ции и перегонах,

― возможность регистрации номеров поездов, сле¬дующих  по станциям и перегонам, а также всех отка¬зов объектов управления,

― значительно меньшие габариты оборудования и, вследствие, в 3 - 4 раза меньший объем помеще¬ния для его размещения, что позволяет заменять устаревшие системы централизации без строитель¬ства новых постов,

― значительно меньший объем строительно-мон¬тажных работ,

― подробная технология проверки зависимостей без монтажа макета за счет использования специализи¬рованных отладочных средств,

― использование в качестве среды передачи инфор¬мации между устройствами управления и управляе¬мыми объектами не только кабелей с медными жилами, но и волоконно-оптических кабелей,

― возможность получения из архива параметров работы напольных устройств СЦБ для последующего прогнозирования их состояния или планирования проведения ремонта и регулировки, не допуская полных отказов этих устройств,

― снижение эксплуатационных затрат за счет уменьшения энергоемкости системы, сокращения примерно на порядок количества электромагнитных реле и длины внутрипостовых кабелей, применения современных необслуживаемых источников питания, исключения из эксплуатации громоздких пультов управления и манипуляторов с большим числом рукояток и кнопок механического действия.

Опыт эксплуатации первых систем МПЦ на железных дорогах мира показал их эксплуатационные и технические преимущества перед релейными системами. В нашей стране и за рубежом прекращены разработки новых релейных систем электрической централизации (ЭЦ). Учитывая быстрые темпы развития и совершенствования микроэлектронной и микропроцессорной техники, снижение ее стоимости, можно утверждать, что с течением времени системы МПЦ станут основными системами станционной автоматики. [??]

1. ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ  ЧАСТЬ

1.1 Принципы построения систем МПЦ

1.1.1 Требования к принципам построения систем МПЦ

Микропроцессорная система централизации стрелок и сигналов ЭЦ-ЕМ предназначена для управления стрелками, сигналами и другими объектами СЦБ на железнодорожных станциях с маневровой работой при любых видах тяги.

Первая в России микропроцессорная ЭЦ на микропроцессорной основе ЭЦ-ЕМ была разработана специалистами институту «Гипротранссигналсвязь» (ГТСС) по заданию Департамента СЦБ и представляла собой комплекс устройств, выполняющий централизованное управление стрелками и светофорами средствами вычислительной техники.

В системе ЭЦ-ЕМ  средствами вычислительной техники были реализованы задачи управления и контроля за технологическим процессом на станции, соблюдения всех зависимостей стрелок и сигналов с целью обеспечения безопасности движения поездов. Это стало возможным благодаря использованию созданного специалистами ГТСС уникального программного обеспечения, реализованного с учетом всех требований безопасности и  позволяющего решать все технологические задачи централизации стрелок и сигналов на станции.

Вместе с тем, в силу ряда причин возникла необходимость создания в России современного отечественного специализированного Управляющего Вычислительного Комплекса (УВК), максимально соответствующего жестким требованиям, предъявляемым к современным микропроцессорным системам электрической централизации стрелок и сигналов.

Такой специализированный УВК был создан по заказу Департамента СЦБ в АО "РАДИОАВИОНИКА" с использованием самых современных методов построения отказобезопасных систем, который обладает рядом бесспорных преимуществ по сравнению со своим предшественником и не уступает по своим характеристикам зарубежным аналогам.

Одновременно при разработке УВК за счет трехканального построения и развитой системы самодиагностики удалось существенно повысить надежность и облегчить техническое обслуживание и эксплуатацию нового комплекса, получившего наименование УВК РА.

На базе отечественного управляющего вычислительного комплекса УВК РА, микропроцессорная централизация стрелок и сигналов была модернизирована и получила наименование ЭЦ-ЕМ. Помимо своих непосредственных функций, аналогичных электрической централизации, УВК РА может производить контроль таких устройств как контроля технического состояния подвижного состава в пути следования (КТСМ), устройств контроля схода подвижного состава (УКСПС), а так же управлять удаленными объектами или соседними станциями, выполнять функции автоблокировки с централизованным размещением оборудования на прилегающих перегонах, совмещать в себе функции устройств диспетчерского контроля и диспетчерской централизации.

Рассмотрим основные структурные схемы микропроцессорных систем, которые целесообразно использовать при построении МПЦ. Однопроцессорную систему (рис.1.1,а) используют при последовательной обработке информации. При этом централизацию обычно называют компьютерной. Её применяют для крупных станций с мощной ЭВМ или для малых станций, когда достаточно одной микроЭВМ. В первом случае ЭВМ, помимо задач электрической централизации, может решать и другие задачи   (обрабатывать информацию, поступающую от систем считывания номеров вагонов, хранить нормативно-справочную информацию и др.).  

Система с радиальной структурой (рис.1.1,б) реализует принцип функциональной обработки. Каждая микроЭВМ служит для управления каким-нибудь районом станции. Связь между районами ЭВМ осуществляется через центральный управляющий процессор УП.

          В системе с магистральной структурой (рис.1.1,в) применяется мультипроцессорная обработка информации. Элементы системы (микропроцессоры МП, запоминающие устройства ЗУ, устройства ввода-вывода УВВ) подсоединяются к общей магистрали (шина). Управляющий процессор УП регламентирует работу всех элементов.

В системе с сетевой структурой (рис.1.1,г) районные микро ЭВМ обмениваются информацией с соседними микро ЭВМ по принципу конвейера.  Сеть  микроЭВМ   отражает   план   станции,   и   в   этом   случае реализуется географический принцип.

а)

б)        

    в)                                    

  г)

                     а) однопроцессорная структурная схема;

                               б) радиальная структурная схема;

                                в) магистральная структурная схема;

                                г) сетевая структурная схема.

Рисунок 1.1 –  Структурные схемы МПЦ

Рассмотренные структуры имеют свои достоинства и недостатки. Их  следует оценивать, прежде всего, по сложности программного обеспечения (ПО), надежности и быстродействию. Наиболее простым ПО обладают однопроцессорная и сетевая системы. В первом случае нет необходимости решать проблему взаимодействия между различными микропроцессорами. Во втором случае эти взаимодействия очень просты – передача информации в соседние микроЭВМ. Наилучшими свойствами по надежности обладает сетевая структура. В ней отказ одной районной ЭВМ не исключает установку и реализацию маршрутов в других районах станции. В радиальной и магистральной структурах работа системы нарушается при отказах управляющего процессора или повреждении магистрали. Наибольшее быстродействие имеет сетевая структура, так как в ней реализуется не только конвейерный, но и функциональный принцип обработки информации. В различных районах станции маршруты обрабатываются одновременно разными микроЭВМ. Наименьшее быстродействие имеют однопроцессорная (все маршруты обрабатываются последовательно) и магистральная системы из-за ограниченной пропускной способности магистрали.

Вторая основная проблема МПЦ – это обеспечение безопасности. Концепция безопасности МПЦ, которая используется в большинстве случаев, состоит в следующем, одиночные дефекты аппаратных и программных средств не должны приводить к опасным отказам устройств и должны обнаруживаться при рабочих или тестовых воздействиях не позднее, чем в системе возникает второй дефект. Безопасность достигается благодаря резервированию аппаратных и программных средств, организации внутри процессорного и межпроцессорного контроля и безопасному поведению при отказах. Резервирование аппаратных средств состоит в применении многоканальных систем с жесткой или мягкой синхронизацией каналов. Сравнение результатов обработки информации в каналах осуществляется с помощью безопасных схем сравнения. В многопрограммных системах выполняется резервирование программного обеспечения. Наилучшие результаты по безопасности в этом случае дают принципы  N-версионного программирования, применяемые на уровне алгоритмов и программ. Задачу обнаружения отказов решают внутри- и межпроцессорный контроль. Обнаруживать отказы требуется с максимально возможной глубиной и как можно быстрее. Наиболее эффективно внутрипроцессорный контроль осуществляется тестированием системы в отведенные для этого промежутки времени или применением принципов самоконтроля.

Межпроцессорный контроль состоит во взаимной проверке работы процессоров на уровне системных шин, памяти и выходов (контроль с сильными связями). При контроле с умеренными связями осуществляется проверка выходов. Применяется также вариант, когда один процессор реализует вычисления, а другой их проверяет (контроль со слабыми связями).

1.1.2 Безопасные структуры МПЦ

 Существует большое разнообразие безопасных структур, которые реализуют отраженные на рис. 1.1 методы. Рассмотрим реально используемые восемь основных типов безопасных структур.

Одноканальная система с одной программой (рис. 1.2,а) может быть применена при организации достаточно полной проверки микроЭВМ с помощью самопроверяемых средств внутреннего контроля (ССВК) и при наличии безопасных выходных схем (БВС) для включения управляемых объектов (УО). При возникновении отказа ССВК формирует сигнал Y, с помощью которого система может быть переведена в защитное состояние по входу Ф (например, отключено питание), и (или) выходы отключаются от УО с помощью БВС. Безопасность данной структуры зависит  от  эффективности способов самопроверки. Тестовые программы должны повторяться достаточно часто. Прикладные программы не должны иметь ошибок при загрузке. Целесообразно применение самопроверяемого программного обеспечения.        

Одноканальная система с дублированной программой (рис.1.2,б) использует две различные и независимые программы П1 и П2 для реализации одних и тех же функций. Результаты выполнения программ Z1 и  Z2 сравниваются внешней безопасной схемой сравнения (БСС). Уровень безопасности зависит от степени различия двух программ и от интервала времени обращения к данным. Целесообразно, чтобы программы были написаны разными бригадами программистов и по разным алгоритмам или версиям.

Дублированная система со слабыми связями (рис.1.2,в) состоит из двух микроЭВМ, в которых процессоры и программы могут быть неодинаковыми. Процессор микроЭВМ1 реализует основные вычисления, а микроЭВМ2 их проверяет. Для этого осуществляется обмен информацией по шине W. Синхронизация каналов необязательна. Контроль работы микроЭВМ1 осуществляется благодаря наличию тестовых программ параллельными вычислениями и сравнением результатов. При обнаружении ошибки микроЭВМ2 формирует сигнал Y, и выходы микроЭВМ1 отключаются от УО.

Дублированная система с умеренными связями (рис.1.2,г) включает в себя две одинаковые микроЭВМ с одинаковыми программами. Работа обоих каналов синхронизирована. Результаты обработки информации сравниваются на уровне выходов Z1 и Z2 с помощью БСС. Это одна из наиболее распространенных на практике безопасных структур. Минимальная кратность не обнаруживаемых отказов в ней равна двум – по одному отказу в каждой микроЭВМ, которые одинаковым образом искажают выходные сигналы Z1  и Z2. Прикладные программы должны быть свободны от ошибок при загрузке. Одиночные отказы не опасны. Кратные независимые отказы могут не учитываться, если время обнаружения отказа достаточно мало.                            

    а)

    б)

    в)

    г)

                                а) одноканальная система с одной программой;

                                б) одноканальная система с двумя программами;

                                в) дублированная система со слабыми связями;

                                г) дублированная система с умеренными связями.

Рисунок 1.2 – Структурные схемы МПЦ

В дублированной системе с сильными связями (рис.1.3,а) используют одинаковые программы в двух одинаковых микроЭВМ, но в отличие от предыдущего случая контроль работы двух каналов осуществляется не только на уровне выходов, но и на уровне шин и памяти. Работа каналов синхронизирована. В наиболее эффективном случае осуществляется потактовая проверка совпадения сигналов W1 и W2 на внутренних контрольных точках с помощью БСС1. При возникновении ошибки сигнал Y воздействует на БСС2 и отключает УО, а также переводит оба канала в защитное состояние по входам Ф. Структура обладает высоким уровнем безопасности. Проблему могут составить одинаковые программные ошибки в каналах.

Дублированная система с тестированием и сильными связями          (рис.1.3,б) содержит в дополнение к предыдущей структуре генератор тестов ГТ и мультиплексор МКС и применяется, если множество входных воздействий Х не обеспечивает необходимую «глубину» проверки каналов обработки информации. В этом случае в процессе рабочего функционирования периодически выделяются отрезки времени, в течение которых с помощью мультиплексора сигналы Х отключаются от входов системы, и к последним подключается генератор тестов. Результаты тестирования обоих каналов сравниваются БСС1 при обнаружении ошибки система переводится в защитное состояние. Данный принцип используется также тогда, когда система большую часть времени рабочего функционирования находится в ждущем режиме (при этом сигналы Х длительное время не изменяются).

а)

б)

      а) дублированная система с сильными связями;

      б) дублированная система с тестированием.

Рисунок 1.3 – Структурные схемы МПЦ

а)

             б)

    а) самопроверяемая дублированная система;

    б) троированная мажоритарная система.

Рисунок 1.4 – Структурные схемы МПЦ

Самопроверяемая дублированная система (рис.1.4,а) состоит из двух каналов, построенных в виде самопроверяемых устройств. Сигналы W1 и W2, формируемые ССВК1 и ССВК2, сравниваются ССВК3, последняя вырабатывает сигнал ошибки Y. Минимальная кратность не обнаруживаемых

отказов равна четырем – по два отказа в каждом канале, которые не обнаруживаются ССВК и одинаково искажают выходные сигналы Z1 и Z2. Самоконтроль каналов может быть аппаратным и программным. Возможно использование независимых программ в каждом процессоре.

Троированная мажоритарная система (рис.1.4,б) имеет три независимых канала обработки информации. Работа каналов синхронизирована и сравнивается с помощью безопасного мажоритарного элемента БМЭ. Данная структура, также как и дублированная, используются наиболее часто. Безопасность её сравнима с безопасностью дублированной системы, но отказоустойчивость выше. Рассмотренные структуры и принципы построения безопасных систем часто используются и в сочетании, дополняя друг друга. Базовыми обычно являются дублированная и троированная структуры.

   Системы МПЦ с одноканальной структурой технического обеспечения внедрены на многих железных дорогах. При этом железные дороги обращают особое внимание на эксплуатационную готовность систем, поскольку большинство аварий связано с вмешательством человека после отказа системы. Простая конструкция подобных систем позволяет с самого начала исключить некоторые отказы, нарушающие эксплуатационный процесс и способные возникнуть в системах с двухканальным техническим обеспечением. Если философия безопасности систем с двухканальной структурой технического обеспечения основана на независимости аппаратных вычислительных сигналов, то в МПЦ с одноканальным техническим обеспечением необходимо знать, насколько велика вероятность того, что возникнет опасная ошибка, не обнаруженная своевременно контрольной программой. Многолетняя эксплуатация многочисленных систем МПЦ с одноканальным техническим обеспечением свидетельствует, что с их помощью можно надежно управлять железными дорогами.

  К безопасности обработки информации в системах, как с двухканальным, так и с одноканальным техническим обеспечением предъявляются высокие требования, однако они ограничиваются собственно функциями централизации. Типичным представителем систем этой категории является EBILOCK.

  Повышенный уровень безопасности почти полностью исключает опасные отказы систем, а высокая эксплуатационная готовность ограничивает потребность во вмешательстве человека в процесс обеспечения безопасности. Однако за безопасность приходится платить, и применение недорогих систем СЦБ является вкладом в повышение конкурентоспособности железных дорог.

1.2 Сравнительный анализ систем МПЦ

1.2.1 Система ЭЦ-ЕМ

Система микропроцессорной централизации на базе УВК РА (ЭЦ-ЕМ) предназначена для централизованного управления средствами управляющей вычислительной техники объектами низовой и локальной автоматики - стрелками, светофорами, переездами и т.д. - на железнодорожных станциях с учетом выполнения всех требований, предъявляемых Правилами технической эксплуатации железных дорог РФ к устройствам электрической централизации стрелок и сигналов, в условиях высокой степени безопасности (не ниже релейных систем электрической централизации).

Система ЭЦ-ЕМ может применяться на всех малых, средних и крупных станциях (узлах, раздельных пунктах и разъездах) с поездными и маневровыми передвижениями магистрального и внутризаводского железнодорожного транспорта России и стран ближнего зарубежья.

Система ЭЦ-ЕМ осуществляет в реальном времени сбор, обработку и хранение информации о текущем состоянии объектов ЭЦ. На основании полученной информации реализуются технологические алгоритмы централизованного управления станционными объектами низовой и локальной автоматики с формированием и выдачей управляющих воздействий. При необходимости дежурному по станции (ДСП) могут выдаваться пояснительные сообщения о результатах процесса управления. Одновременно производится непрерывная диагностика состояния системы с формированием и оперативной передачей в ПЭВМ рабочего места ДСП информации для отображения состояния объектов ЭЦ и результатов диагностирования микропроцессорных средств системы.