1 Эксплуатационный раздел
1.1 Анализ предметной области
Наиболее распространенным средством, обеспечивающим условия безопасности движения поездов, являлось устройство АЛСН. Однако они не исключают проезд запрещающего сигнала, так как приводят в действие экстренное торможение поезда только после проследования этого светофора. Использование экстренного торможения влечет за собой ряд негативных последствий из-за значительных ударных механических нагрузок на подвижной состав, возможных травм пассажиров пассажирского поезда и т.д.
Другим существенным недостатком АЛСН является отсутствие контроля за снижением скорости поезда в местах её ограничения (например, при движении поезда на боковой путь станции). В таких условиях выбор скоростного режима движения поезда, обеспечивающего безопасность движения, возлагается на машиниста. Несмотря на то, что он располагает определёнными знаниями и практическими навыками работы, в процессе управления поездом не исключены ошибки, определяемые психофизиологическими возможностями человека. При таких ошибках условия безопасности движения поездов не будут выполняться, т.к. устройства АЛСН не могут предотвратить последствий ошибок машиниста, связанных с поздним включением тормозов, потерей бдительности, неправильной оценкой расстояние до впереди стоящего светофора или вследствие неверного прогнозирования траектории движения поезда.
Изложенное свидетельствует о необходимости автоматического управления движения поездов и в первую очередь – автоматического управления процессами торможения. При этом требуется обеспечивать 10 исключение проезда запрещающих сигналов путём прицельного торможения с плавным регулированием скорости во всем диапазоне – от максимальной до нулевой.
Рассмотрим, как при этом происходит прицельное торможение перед закрытым сигналом. Траектория движения представлена на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Траектория движения прицельным торможением перед закрытым сигналом
На основании информации о длине блок-участка Lбу, профиле пути тормозных характеристик поезда локомотивная аппаратура САУТ рассчитывает максимально допустимую программную скорость движения Vпр. В процессе движения поезда осуществляется измерение фактической скорости Vф, сравнение ее с программной и воздействие в случае необходимости на тяговые и тормозные средства поезда.
Рассмотрим в несколько упрощенном, для наглядности изложения, виде процессы функционального воздействия устройств САУТ на тяговые и тормозные средства движущегося поезда.
На рисунке 1.1 приведены траектории, отображающие движение поезда по блок-участку. Пунктирной линией показана программная траектория, формируемая локомотивными устройствами САУТ, а сплошной линией фактическая траектория движения поезда.
Как видно из графика рисунке 1.1, если фактическая скорость Vфна 11 блок-участке меньше программной Vпр, то САУТ никакоговоздействия на процесс ведения поезда не оказывает. Предположим, что в силу сложившейся поездной ситуации машинист начинает увеличивать скорость Vф и её величина начнёт приближаться к значению Vпр. Когда фактическая скорость достигнет значения (Vпр-2) км/ч, что соответствует точке «А» графика рисунок 1.1, исполнительными устройствами САУТ отключаются тяга локомотива. Если далее, например, на выбеге, скорость поезда продолжает увеличиваться и начинает превышать программную, то при Vф=(Vпр+2) км/ч, что показано точкой «В» графика, исполнительными устройствами САУТ включается служебное торможение. Практически могут иметь место случаи, когда после включения служебного торможения фактическая скорость поезда не приводится к программной. Тогда по достижении скорости Vф=(Vпр+6) км/ч включается экстренное торможение. В соответствии с программной траекторией движения, поезд должен остановиться в точке прицельного торможения Sпт. Любая измерительно-управляющая система, в том числе и САУТ, имеет определенные погрешности вычислений и соответствующих исполнительных воздействий. Поэтому невозможно произвести остановку поезда в какой-либо одной заранее заданной точке перед светофором с абсолютной точностью. Диапазон расстояний, обозначенный на графике рисунок 1.1, как ?S, определяет погрешность системы или область допустимого изменения положения точки прицельной остановки поезда S. Для исключения проезда запрещающего сигнала правая граница области S не должна пересекать ординату изолирующих стыков светофора «Ч1».[2][3]
Таким образом, основное функциональное назначение устройств САУТ заключается в формировании программной траектории движения поезда, слежении за фактической скоростью и воздействии на тяговые и тормозные средства поезда, если Vф больше или равно Vпр. В случае, когда фактическая скорость движения поезда ниже программной, устройства САУТ не влияют на процесс ведения поезда. Если остановка поезда или реализация ограничений скорости выполняются не машинистом, а автоматически – устройствами САУТ, то это не фиксируется ни в каких регистрирующих приборах. Это исключает негативное психологическое влияние работы устройств САУТ на машиниста.
На сети дорог Российской Федерации внедрено несколько модификаций САУТ:
1. САУТ-У, в которой информация о путевых параметрах блок участков передаётся на локомотив в начале каждого участка пути, ограждаемого светофором, для этого используется точечный путевой канал, содержащий путевой генератор, подключенный к путевому шлейфу. Длина путевого шлейфа пропорциональна длине блок-участка.
2. САУТ-Ц, в которой информация о путевых параметрах всех блокучастков перегона записывается в блок памяти локомотивных устройств, и на перегоне путевых генераторов нет. На выходе станции устанавливается один генератор, который передает на локомотив номер перегона, а затем из блока памяти данные о путевых параметрах последовательно извлекаются для построения кривых скорости для каждого блок-участка. На входе станции применяются путевые генераторы различной частоты и путевые шлейфы различной длинны, за счёт изменения которых и передаётся информация о путевых параметрах маршрутов приема.
3. САУТ-ЦМ, в которой информация на выходе станции передаётся также, как и в САУТ-Ц, а на входе станции на локомотив информация о номере маршрута приёма передаётся кодом, получив который локомотивные устройства извлекают из блока памяти данные о путевых параметрах установленного маршрута приёма. Особенностью САУТ-ЦМ является применение микропроцессоров как для локомотивных, так и для путевых устройств.
1.2 Обоснование выбора системы
1.2.1 САУТ-У
Система предназначалась для использования в поездной работе на участках железных дорог, оборудованных трехзначной и четырехзначной автоблокировкой с автоматической локомотивной сигнализацией (АЛСН, АЛСЧ, АЛС-ЕН); на электропоездах, дизельпоездах, на пассажирских и грузовых локомотивах при скоростях движения до 200 км/ч, обеспечивала предупреждение проезда запрещающих сигналов и создавала возможность повышения на 10-15% пропускной способности участков железнодорожных линий.
В отличии от других систем САУТ-У отменяла периодические проверки бдительности машиниста, предусмотренные типовой схемой АЛСН, так данная система позволяла обслуживать локомотив одним машинистом и увеличивала пропускную способность участков железных дорог за счет повышения значений допустимых скоростей движения на 10 км/ч.
В отличии от других систем САУТ-У отменяла периодические проверки бдительности машиниста, предусмотренные типовой схемой АЛСН, так данная система позволяла обслуживать локомотив одним машинистом и увеличивала пропускную способность участков железных дорог за счет повышения значений допустимых скоростей движения на 10 км/ч.
В отличии от других систем САУТ-У отменяла периодические проверки бдительности машиниста, предусмотренные типовой схемой АЛСН, так данная система позволяла обслуживать локомотив одним машинистом и увеличивала пропускную способность участков железных дорог за счет повышения значений допустимых скоростей движения на 10 км/ч.
В 1992 г. отделом «Локомотивные системы автоматического управления движением поездов» Уральского отделения ВНИИЖТ была завершена разработка нового проекта – системы автоматического управления движением поезда с центральным размещением аппаратуры (САУТ-Ц) и локомотивной микропроцессорной аппаратурой САУТ-МП.
1.1.2 САУТ-Ц
Система имела ряд преимуществ:
? Введение дополнительных функций по контролю выполнения ограничений скорости и контролю бдительности машинистов;
? Применение на локомотиве электронной карты памяти для хранения информации о путевых параметрах перегона с привязкой ее и передачей на локомотив на границах станции от путевых устройств;
? Сокращение количества используемого кабеля;
? Сокращение числа путевых генераторов;
? Повышение надежности за счет использования микроэлектронной элементной базы;
? Обеспечение непрерывной диагностики основных элементов системы.
На рисунке 1.2 изображена сравнительная характеристика размещения путевых генераторов в системах САУТ-У и САУТ-Ц.
Рисунок 1.2 – Расстановка путевых генераторов
А- САУТ-У
Б- САУТ-Ц
Управление путевыми генераторами осуществляется с поста электрической централизации. При входе на станцию генераторы передают на локомотив информацию о маршруте приема (максимально допустимая скорость движения по маршруту, длина маршрута приема и т.д.), на выходе со станции путевые генераторы передают информацию о путевых параметрах перегона.
На рисунке 1.3 изображена схема подключения генератора САУТ-Ц к шлейфу.
Рисунок 1.3 – Схема подключения путевых генераторов САУТ-Ц к шлейфу.
У предвходных светофоров устанавливают генераторы с частотами 19,6 кГц и 27кГц. На станциях у входных и маршрутных светофоров устанавливают, как правило, генераторы с частотами 31кГц и 27кГц.
Информация передаваемая путевыми генераторами кодируется длинами шлейфов и разными частотами. Контакты реле Ш1 и Ш2 осуществляют изменение длины шлейфов путем подключения генераторов к разным точкам рельса. Для организации шлейфа используется правый по ходу движения состава рельс.
По сравнению с САУТ-У, САУТ-Ц позволила в почти в 4 раза сократить количество используемого кабеля и путевых генераторов.
1.1.3 САУТ-ЦМ и САУТ-ЦМ/НСП
В декабре 1997 г. были проведены приемочные испытания опытных образцов модернизированной локомотивной аппаратуры микропроцессорной системы автоматического управления торможением поездов САУТ-Ц, данная система получила название САУТ-ЦМ. В результате доработки конструкции отдельных узлов системы, реализации единого алгоритма взаимодействия с системами АЛСН, КЛУБ-У, ТСКБМ и применения в качестве линии связи между блоками интерфейса RS-485, данная локомотивная аппаратура САУТ получила название САУТ-ЦМ/485.
Путевые генераторы и станционная аппаратура управления генераторами так же модернизировалась и дорабатывалась, в результате чего появились такая аппаратура САУТ как САУТ-ЦМ и САУТ-ЦМ/НСП. В настоящее время, данные модификации напольной аппаратуры САУТ стали наиболее применяемыми на железных дорогах России.
На рисунке 1.4 изображена общая структурная схема САУТ-ЦМ
Рисунок 1.4 – Структура САУТ-ЦМ
САУТ-ЦМ предназначена для повышения уровня безопасности движения поездов и повышения пропускной способности перегона и станции.
Путевые устройства САУТ-ЦМ размешаются у маршрутных, входных, предвходных светофоров, а также на выходе со станции.
Точка САУТ состоит из путевого шлейфа и путевого генератора. Шлейф представляет собой контур, образованный частью рельса, к которой подключены выводы путевого генератора. По контуру протекает ток частотой 19,6 кГц, который модулируется по амплитуде для передачи на локомотив цифрового сигнала, несущего информацию о типе и номере точки САУТ-ЦМ. Длинна шлейфа, как правило, имеет фиксированное значение – 10м.
1.1.3.1 Путевые шлейфы
Путевой шлей имеет три основных конструкции и представлен на рисунке 1.5.
Первый тип шлейфа. Генератор располагается на одной стороне со шлейфом, т.е. справа по ходу движения поезда. Данная конструкция считается основным типом организации шлейфа. Второй тип шлейфа применяется, при невозможности применить первый тип из-за отсутствия необходимого габарита для размещения генераторов. В данном случае, генератор располагается с противоположной стороны от шлейфа.
Применение третьего типа шлейфа на практике сильно не распространилось. В основном применяется, когда расположение стрелочных переводов и изостыков не предоставляют возможности разместить первый и второй тип шлейфа. Конструкция третьего типа шлейфа отличается от первых двух тем, что вместо подключения к рельсу используется уложенная на шпалах петля из провода.
Рисунок 1.5- Разновидности организации путевых шлейфов. Расстояние А- 0,5 – 1,5м, расстояние В – не менее 100м.
1.1.3.2 Путевые генераторы
Для проектирования путевых устройств САУТ-ЦМ используются путевой генератор унифицированный ГПУ-САУТ-ЦМ, который предназначен для передачи на локомотив информации о номере перегона, типе блок-участка, направлении движения (четное или нечетное), номере маршрута приема на станцию, номере генератора (для входных, выходных и маршрутных светофоров), а также номер страницы информации, передаваемой в нулевом блоке телеграммы).
В зависимости от конструкции, путевые генераторы бывают двух видов: для штепсельного монтажа и для напольного монтажа. ГПУ-САУТ-ЦМ-Ш (штепсельного исполнения) размешаются в релейных шкафах. ГПУ-САУТ-ЦМ-Н (напольное исполнение) могут размещаться как в трансформаторных ящиках СЦБ, так и в релейных шкафах на дне.
Генератор подключается выходными цепями к рельсу с помощью кабелей, кабельных муфт и перемычек создавая протекание тока через рельс величиной 0,5 А.
Варианты исполнения генераторов приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1
Шифр исполнения Частота выходного сигнала Примеч.
ГПУ-САУТ-ЦМ-Н1 19,62/13,07 кГц Кодир. (маршруты 0-7)
ГПУ-САУТ-ЦМ-Н2 19,62/13,07 кГц Кодир. (маршруты 8-15)
ГПУ-САУТ-ЦМ-Н3 19,62/13,07 кГц Некодир.
ГПУ-САУТ-ЦМ-Ш1 19,62/13,07 кГц Кодир. (маршруты 0-7)
ГПУ-САУТ-ЦМ-Ш2 19,62/13,07 кГц Кодир. (маршруты 8-15)
Генераторы предназначены для круглосуточной работы в суровых климатических условиях: рабочая температура - от минус 45 до плюс 55 °С, относительная влажность воздуха 95%, периодическая смена температур, воздействия росы и инея с последующим оттаиванием. Генератор устойчив к воздействию вибрации в диапазоне частот от 1 до 100 Гц.
В таблице 1.2. приведены технические характеристики генераторов.
Таблица 1.2 -
Напряжение питающей сети переменного тока частоты 50 Гц, В
Ток, потребляемый от питающей сети, А, не более 0,1
Несущая частота выходного сигнала, Гц 19607±20
Контрольная частота, Гц 13070±20
Выходной ток, А, не менее 0,4
Масса, кг, не более 5,0
Габаритные размеры, мм
- ГПУ-САУТ-ЦМ-Н
- ГПУ-САУТ-ЦМ-Ш
250х190х140
237х201х134
На рисунке 1.6 представлена функциональная схема ГПУ-САУТ-ЦМ
Функциональная схема путевого генератора состоит из следующих основных узлов:
? Процессор с внутренней памятью;
? Сторожевой таймер;
? Схема коммутации;
? Схема выделения знака;
? Выходной трансформатор;
? Выходная схема контроля;
? Схема регулировки уровня выходного тока
? Схема проверки кода шлейфа;
? Источник вторичного электропитания.
Рисунок 1.6 - функциональная схема ГПУ-САУТ-ЦМ
Процессор с внутренней памятью является основным элементом генератора в память которого занесены восемь кодовых последовательностей, которые необходимо передать на локомотив.
Сторожевой таймер является неотъемлемой частью схемы генератора. Данное устройство необходимо для контроля стабильности напряжения питания микросхем. Напряжение питания микросхем составляет 5В ±10%.
При невыполнении данного требования или нестабильности напряжения питания самого генератора, сторожевой таймер производит сброс микропроцессора, во избежание зависания программы после восстановления питания.
Управление генератором осуществляется контактами управляющих реле, которые реализуют определённые зависимости. Положение контактов управляющих реле обрабатывается и фиксируется схемой коммутации.
После предварительного сложения несущей частоты и огибающей кодированного сигнала схемой выделения знака осуществляется разделение положительных и отрицательных полупериодов суммированного сигнала (кода ОФМ). Далее эти импульсы поступают на выходной трансформатор и далее — в шлейф.
В путевом шлейфе должен протекать переменный ток величиной 0,5 А, для контроля выполнения данного условия в путевом генераторе имеется схема регулировки уровня выходного тока. Данная схема, по принимаемому из шлейфа кодовому сигналу, осуществляет настройку необходимого уровня тока на выходном трансформаторе.
В путевом генераторе также используется «выходная схема контроля», которая выполняет следующие функции:
? отслеживает уровень тока в шлейфе
? отслеживает частоту (19,6 или 13,07кГц)
? следит за правильностью расшифровки кода (для рабочего режима)
? осуществляет подает на резонансный контур несущую частоту 19,6 кГц с выхода процессора.
Благодаря наличию источника вторичного электропитания осуществляется питание микросхем генератора. Данное устройство преобразует переменное напряжение 220В в постоянное 5В, 25В и 12В [14].
Для проверки правильности функционирования и работы генератора используются знаковые индикаторы, которые отражают номер кодовой посылки в виде десятичных цифр.
Информация на индикаторы поступает со схемы проверки кода шлейфа, которая осуществляет расшифровку информации передаваемой в шлейф. Для передачи полезной информации используется код Голея. Телеграмма, передаваемая с пути на локомотив, содержит два блока по 24 символа со следующим распределением в телеграмме. Первые 13 импульсов — информационные, остальные 11 — контрольные.
Назначение символов в телеграмме представлено в таблице 1.3.
Таблица 1.3 – Назначение символов телеграммы
Формат 0 блока телеграммы:
1 бит: тип генератора 1 — выходной
О — предвходной, входной, маршрутный
2 бит: № страницы — 0 страница (0000-1023) 0
— 1 страница (1024-2047)
3 бит: № блока 0 — № блока
4-13 биты № перегона (0-1023)
14-24 биты: 11 разрядное проверочное слово
Формат 1 блока телеграммы:
1 и 2 биты: тип генератора 11 — выходной при автоблокировке;
10 — предвходной при автоблокировке;
01 — входной при автоблокировке;
00 — выходной при полуавтоблокировке;
3 бит: № блока 1-№ блока;
4 бит: для выходных генераторов инверсия 4-го бита 0-го блока;
5 бит: резервный
6-9 биты: № маршрута (0-7) – старший бит в резерве
10-13 биты: № генератора (0-15) 0 — входной;
1-15 — маршрутный;
0-15 — выходной;
14-24: 11 разрядное проверочное слово
Как уже говорилось ранее, управление путевым генератором осуществляется с поста ЭЦ. Для предвходных точек используются контакты реле управления предвходным светофором. Для проектирования схем управления генераторами используются свободные контакты электромагнитных реле, контролирующих необходимые объекты зависимости.
При подаче управляющего воздействия на необходимые входы путевого генератора, в шлейф с выходов генератора подается соответствующий кодовый сигнал. В приложении А указаны номера и назначения выводов генераторов типа ГПУ-САУТ-ЦМ.
Путевый генератор имеет два режима работы:
? Рабочий режим
? Режим одичания
При рабочем режиме в путевом шлейфе протекает ток 19,6 кГц, который воспринимается локомотивной аппаратурой. В рабочем режиме генераторы должны находиться только тогда, когда задан маршрут проходящий через точку САУТ. Генераторы на предвходных точках должны переходить в рабочий режим, когда открыт сигнал.
Режим ожидания сопровождается частотой тока в шлейфе 13кГц, контролируя целостность путевого шлейфа. В режим ожидания путевые генераторы должны переходить при выполнении следующих условий:
? Для предвходной точки: не менее чем через 5 секунд после закрытия светофора;
? Для входной, маршрутной и выходной точки: после проследования путевой точки САУТ составом и после размыкания в маршруте секции на которой установлен генератор. Для контроля правильности работы генератора, к его выводам подключены контрольные реле ШО1 и ШО2.
Основные преимущества САУТ-ЦМ перед САУТ-Ц:
? Использование программируемых генераторов позволяет передавать информацию на локомотив в цифровом виде, что приводит к использованию одного шлейфа и одной несущей частоты, в то время как в САУТ-Ц для передачи информации используется несколько шлейфов с различными несущими частотами;
? Число путевых генераторов сокрушается как минимум в два раза, т.к. возможность передача кодовых посылок путевым генератором значительно расширилась;
? Появление возможности передать большее количество закодированных маршрутов следования, приводить к более точной прицельной остановки подвижного состава перед светофором.
1.2 Система САУТ-ЦМ/НСП
Система САУТ-ЦМ/НСП с расширенной возможностью передачи маршрута предназначена для повышения уровня безопасности движения поездов и на данный момент является самой совершенной и технологичной из имеющихся модификаций путевых устройств данной системы. В основном применяется на крупных станциях с большим количеством стрелок (более 30) и большим количеством маршрутов следования поезда.
