автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Автоматизация управления устройствами электрической централизации на железнодорожных станциях

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (РГОТУПС)

На правах рукописи

Поменков Дмитрий Михайлович

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВАМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕНТРАЛИЗАЦИИ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ СТАНЦИЯХ

Специальность 05.22.08 - Эксплуатация железнодорожного

транспорта (включая системы сигнализации, централизации и блокировки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Шалягин Д.В.

Москва - 1998

- г -

Содержание

Введение..........................................................4

1. Системы управления движением поездов на станциях и методы

их моделирования..................-.............................7

1.1. Развитие станционных систем автоматики.......................7

1.2. Микропроцессорные системы управления движением поездов

на станциях..................................................9

1.3. Методы моделирования систем управления устройствами.........18

1.3.1. Алгебраические формальные системы.........................20

1.3.2. Языковые формальные системы...............................23

1.3.3. Языково-алгебраические модели.............................28

1.3.4. Формально-алгебраические системы..........................30

1.4. Выводы......................................................32

2. Методы формального описания автоматических станционных систем........................................................34

2.1. Постановка задачи...........................................34

2.2. Обобщенный формальный метод функционального описания........37

2.3. Обобщенный кумулятивный структурный метод моделирования управляющих систем..........................................60

2.4. Синтез кумулятивной модели объекта функционирования системы управления устройствами ЭЦ.......................... 68

2.5. Выводы......................................................71

3. Построение системы управления устройствами ЭЦ.................74

3.1. Формирование структуры фрейма станционного объекта..........74

3.2. Сравнительный анализ вариантов структуры фрейма станционного объекта.....................................................82

3.3. Организация процесса функционирования системы управления устройствами ЭЦ............................................. 98

3.4. Выводы.....................................................115

4. Система управления устройствами ЭЦ "Диалог-Ц"................118

4.1. Функции аппаратных средств системы "Диалог-Ц"..............118

4.2. Информационное обеспечение системы "Диалог-Ц"..............122

4.3. Математическое обеспечение системы "Диалог-Ц"..............128

4.3.1. Общий алгоритм работы....................................130

4.3.2. Алгоритм установки маршрута..............................133

4.3.3. Алгоритм посекционного размыкания маршрута...............139

4.3.4. Алгоритм отмены маршрута.................................139

4.3.5. Алгоритм искусственного размыкания маршрута..............149

4.4. Экономическое обоснование внедрения системы управления устройствами ЭЦ "Диалог-Ц".................................149

4.5. Выводы.....................................................157

Заключение......................................................159

Приложение 1....................................................162

Приложение 2....................................................174

Приложение 3....................................................179

Литература......................................................181

Введение

В соответствии с концепцией развития средств железнодорожной автоматики и телемеханики одним из направлений, обеспечивающих наибольший эффект, является создание средств автоматизации функций систем управления перевозочным процессом.

Проблема автоматизации управления устройствами электрической централизации (ЭЦ) получила особую актуальность в последнее время. Это связано прежде всего с тем, что на сети дорог эксплуатируются свыше 20 % систем ЭЦ, проработавших более 30 лет, и выработавших свой ресурс [51]. Как правило, такие ЭЦ оборудованы неблочной наборной группой, построенной на реле КДР. Проведенные расчеты показывают, что при эксплуатации реле КДР в течение 25 лет вероятность их отказа в расчете на одну стрелку ЭЦ близка к единице. Кроме того, сложившаяся ситуация осложняется тем, что промышленностью прекращен выпуск реле данного типа. В этой связи периодическая замена приборов и их профилактический ремонт не приводят к должному эффекту, т. к. в соответствии с моделью функционирования систем автоматики с деградирующими изделиями для восстановленного реле с момента окончания ремонта наработка на отказ начинается не с нуля, а продолжает возрастать [30, 31]. При этом продолжается износ деталей и старение материалов, развитие дефектов, что ведет к возникновению новых отказов и очередному восстановлению. Это ведет к повышению предельных затрат на восстановление реле КДР; росту расходов, связанных с простоем поездов, вызванных отказами аппаратуры и экспоненциальному возрастанию эксплуатационных расходов на обслуживание станционных устройств.

Кроме того известно, что стоимость электромеханических устройств за последнее время существенно возросла. Например,

стоимость неконтролируемых реле за последние 10 лет увеличилась в 8 - 15 раз, в то время как стоимость микропроцессорных устройств -лишь в 3 - 5 раз . При этом имеется тенденция к снижению стоимости микропроцессорных устройств.

В данной работе исследуется проблема совершенствования существующих систем ЭЦ на базе комплекса программно-аппаратных средств "РИФ-ЭЦ" - микропроцессорная система управления устройствами ЭЦ "Диалог-Ц" [29]. Моделирование структуры и процесса функционирования данной системы проводилось в соответствии со следующими требованиями:

1. Система должна выполнять все функции релейных ЭЦ при соблюдении необходимого уровня безопасности.

2. В зависимости от состояния наборной и/или исполнительной групп существующей централизации должна существовать возможно'сть реконфигурации структуры и алгоритма функционирования.

3. Система должна быть "открытой" для внедрения перспективных решений, определяющих более эффективное выполнение поставленной задачи.

4. Алгоритмическое и программное обеспечение (АиПО) системы должно строиться на основе унифицированных модулей, независящих от особенностей и конфигурации путевого развития конкретных станций.

5. В условиях сложной экономической ситуации необходимо обеспечить поэтапную модернизацию эксплуатируемых систем ЭЦ.

Целью диссертации является разработка теории и методов математического моделирования информационного обеспечения и алгоритмических средств микропроцессорной системы управления устройствами ЭЦ.

В первой главе диссертации приводится обзор тенденций развития

релейных систем ЭЦ, а также разработанных и эксплуатируемых в настоящее время на железных дорогах мира микропроцессорных централизаций (МПЦ). Систематизированы существующие методы математического моделирования систем управления устройствами железнодорожной автоматики.

Во второй главе с помощью метода формализованного представления информации о существующих системах ЭЦ и МПЦ (в виде перечня баз знаний и данных) выделяются компонентные и морфологические структуры указанных систем. Сформулированы основные положения и принципы обобщенного кумулятивного структурного метода моделирования системы управления (СУ) устройствами ЭЦ . Здесь же выводятся формулы и даются определения, необходимые для проведения синтеза кумулятивной модели объекта функционирования СУ устройствами ЭЦ - фрейма станционного объекта.

Третья глава посвящена организации принципов функционирования СУ устройствами ЭЦ. На основании информации, составляющей базы знаний и данных, с помощью метода объединения по признакам и модифицированного метода ранжирования выделяется необходимый и достаточный набор признаков фрейма станционного объекта и проводится сравнительный анализ его структуры. Исследуется проблема организации обработки данных в микропроцессорной СУ устройствами ЭЦ методами теории массового обслуживания.

В четвертой главе, на основе результатов проведенных исследований, разработаны основные компоненты информационного и аппаратного обеспечений, а также методика проектирования микропроцессорной СУ устройствами ЭЦ "Диалог-Ц", излагаются требования, предъявляемые к математическому обеспечению и приводятся алгоритмы функционирования данной системы.

1. Системы управления .движением поездов на станциях и методы

их моделирования 1.1 Развитие станционных систем автоматики Устройства ЭЦ применяются на сети дорог с середины 30-х годов. Существуют различные типы ЭЦ, различающиеся способом связи пункта управления с управляемыми устройствами, размещением аппаратуры и источников питания, компоновкой устройств, способом управления стрелками и сигналами, алгоритмом размыкания маршрутов, элементной базой и конструктивным исполнением.

Схемы первых систем ЭЦ с маршрутным управлением строились по плану станции на основе типовых схемных узлов [48]. Эти системы обеспечивали упрощенный набор простых маршрутов, маршрутное размыкание и применялись в основном на малых станциях.

На участковых, сортировочных и промежуточных станциях с большим объемом поездной и маневровой работы применяются разновидности маршрутной релейной централизации (МРЦ) [8, 48]. Алгоритм функционирования МРЦ заключается в последовательности срабатывания схем наборной и исполнительной групп, схем управления и контроля напольных объектов (НО). Схемы МРЦ строятся по плану станции на основе типовых схемных узлов и выполняются на стативах с открытым монтажом.

Позднее была разработана блочная маршрутная релейная централизация (БМРЦ), функционировавшая по алгоритму, аналогичному МРЦ, но устройства наборной и исполнительной групп состояли соответственно из 10 и 16 типовых блоков [48, 78, 105] . Построение устройств ЭЦ на типовых блоках позволило упростить проектирование, эксплуатацию и повысить ремонтнопригодность системы, сократить сроки монтажа, улучшить технологические показатели.

Появление малогабаритных реле нового поколения типа РЭЛ [12] способствовало разработке ряда новых систем ЭЦ для малых, средних, и крупных железнодорожных станций.

Одна из таких систем, ЭЦ с индустриальной системой монтажа (ЭЦ-И) строится по структурному принципу, подобному БМРЦ, но вместе с тем данная система обеспечивает более высокий уровень безопасности технологического процесса [78, 82]. В этой системе усовершенствован алгоритм автоматического посекционного размыкания маршрутов, предусмотрено полное замыкание маршрута при невозможности открытия светофора, накопление маршрутов и их автоматическое задание, защита от перекрытия светофора при ошибочном нажатии кнопок искусственной разделки, фиксация кратковременных отказов устройств в установленном маршруте, расширен ряд эксплуатационных возможностей системы. Система ЭЦ-И обладает значительной степенью унификации устройств за счет использования специальных схем кодирования и увязки со смежными системами. Аппаратура системы выполняется в виде типовых панельных блоков с возможностью доступа к реле. Система ЭЦ-И предназначена для крупных и средних станций, на малых станциях внедряются системы ЭЦ-К (контейнерного типа), ЭЦ-12-90.

Эволюция зарубежных систем управления движением поездов на релейной базе происходила также по принципу усовершенствования аппаратуры, направленного на минимизацию затрат на внедрение и эксплуатацию централизаций.

Модернизация ЭЦ типа АЖД-71, эксплуатируемой на железных дорогах Чехии и Словакии, заключается в создании новой концепции алгоритма функционирования наборной и исполнительной групп [18]. Создание двух блоков набора, использующих реле ТЕСЛА, позволило

максимально типизировать проектные работы, уменьшить число запасных блоков и объем документации. Применение конструктивных частей типа УРС позволяет упростить устройство управления и увязки. Предусмотрена возможность сопряжения системы с вычислительной машиной, что позволяет рационализировать проектирование, монтаж и эксплуатацию системы.

Аналогичные решения нашли применение и на железных дорогах других стран [2]. Анализ тенденций развития релейных систем ЭЦ показывает, что технические решения модернизации ЭЦ на основе релейных устройств нового типа в значительной мере ограничены возможностями данной элементной базы. Наиболее перспективным является развитие систем ЭЦ путем внедрения электронных и микропроцесорных устройств. Однако, в силу объективных причин, вызванных экономическим кризисом, при разработке новых станционных систем автоматики требуется рационально учитывать возможности эксплуатируемых ЭЦ. Т. е. моделируемая микропроцессорная система должна выполнять как отдельные операции (вариант замены наборной или исполнительной групп релейных ЭЦ), так и полностью весь комплекс функций, обеспечивающих реализацию технологического процесса управления движением поездов. Учитывая данные обстоятельства, необходимо рассмотреть существующие зарубежные МПЦ и отечественные проекты, проанализировать их достоинства и недостатки, сформулировать базу знаний и данных функционирования указанных систем.

1.2 Микропроцессорные системы управления движением поездов на станциях

Исследования в области применения микропроцессорной техники

для управления станционными устройствами проводились во многих странах начиная с середины 70-х годов. Первоначально разработчики использовали микропроцессорные устройства для модернизации аппаратуры релейных и электромеханических централизации, не связанных с безопасностью функционирования (уровень автоматизированного рабочего места (АРМ) дежурного по станции, наборных схем релейной централизации).

Во Франции была разработана и введена в эксплуатацию релейная централизация с микропроцессорным управлением [52], состоящая из электронного и релейного уровней. Непрерывность работы устройств обеспечивается дублированием электронной аппаратуры.

Американская фирма General Railwai Signal (GRS) разработала электронную систему СЦБ с одноканальным техническим обеспечением VPI [83]. Основу системы составил модуль центрального процессора, выполняющий сопряжение данных централизации. Программное обеспечение (ПО) состоит из программ первичной логики и логики обеспечения безопасности. Первичная логика содержит прикладную логику и служит для реализации функций централизации. Логика обеспечения безопасности является контрольной программой, проверяющей корректное выполнение команд и состояние модулей вывода. После завершения главного цикла обработки управляющей информации (реализации двух логик) сигналы управления включают реле СЦБ. Двухканальность обработки информации реализуется с помощью диверситетного размещения данных в памяти системы.

Система микропроцессорной централизации (МПЦ) El S фирмы Siemens построена на базе четырех видов микроэвм семейства SIMIS: микроэвм рабочего места, микроэвм управления и индикации, микроэвм ввода, контроля и интерпретации данных, районной исполнительной

- и -

микроэвм [84]. МикроЭВМ рабочего места осуществляет ввод и индикацию команд на АРМ дежурного по станции (ДСП). МикроЭВМ управления и индикации обрабатывает команды, поступающие от АРМ ДСП, проверяет их допустимость, осуществляет выбор стрелочного маршрута, управляет данными о состоянии НО. МикроЭВМ ввода, контроля и интерпретации данных осуществляет запись проектных данных в постоянную память и передает их в районные исполнительные микроэвм, управляет адресами микроЭВМ, обрабатывает управляющую информацию, принимает сообщения о нарушениях в системе. Районные исполнительные микроЭВМ выполняют установку, контроль и размыкание маршрутов, а также проверку правильности работы всех типов НО. ПО МПЦ имеет модульную структуру и состоит из системного, специфического функционального и специализированного, приспособленного к каждому типу НО. При этом вся информация о НО, путевом развитии и возможных маршрутах представляется в табличных данных, что облегчает проектирование МПЦ.

Структура системы ESTWL 90 (другое название El L) фирмы Alcatel SEL подразделяется на функциональные уровни интерфейса пользователя, выполняющего все функции АРМ ДСП , обеспечения безопасности, включая блок с безопасными отказами SELMIS и исполнительного, построенного на основе блоков согласования с НО [89]. ПО системы построено по принципам структурного программирования, модульности, мобильности, способности к расширению и адаптации. Оно состоит из базового и специализированного компонента с общей функцией централизации.

Интересная концепция была предложена разработчиками МПЦ ELEKTRA (отделение фирмы Alcatel в Австрии) [47, 85]. Система имеет три функциональных уровня: управления вводом и отображением данных

с интерфейсом человек-машина, логических зависимостей системы централизации и обеспечения безопасности, управления НО. По вертикали структура разделена на логический канал и канал обеспечения безопасности. Одной из принципиальных особенностей ПО, благодаря которо�