Praca przejściowa.doc

Porównanie interfejsów między obwodami świateł a LEU

1. Wstęp

W dniu, kiedy po raz pierwszy zaszła potrzeba skomunikowania dwóch urządzeń, powstało pojęcie interfejsu, jako abstrakcyjnego elementu zdolnego do komunikacji z oboma urządzeniami. Dziś w dobie szeroko rozwiniętej automatyzacji procesów interfejs nabiera konkretnych powtarzalnych cech. Mniej istotna staje się odporność na uszkodzenia mechaniczne powodowane przez czynniki zewnętrzne, ponieważ najzwyczajniej urządzenie nie jest na nie bezpośrednio narażone. Wzrasta natomiast znacznie prawdziwości tłumaczonej informacji oraz czasu, w którym ta informacja dotarła do odbiorcy.

2. Metody zbierania informacji z sygnalizatorów

Przedstawienie sytuacji ruchowej na ekranie maszynisty prowadzi do znacznego zwiększenia bezpieczeństwa w stosunku do klasycznego modelu informowania opartego tylko o sygnalizatory przytorowe. Podążając za klasyczną konwencją przekazywania informacji maszyniście oraz wprowadzając jednocześnie zmiany prowadzące do podniesienia prędkości, operator pojazdu trakcyjnego byłby narażony na nadmierne obciążenie wynikające ze zbyt częstego pojawiania się sygnałów. Owocem długotrwałego procesu prowadzenia ruchu w oparciu o sygnalizatory przytorowe przy prędkości pociągu znacznie przekraczającej 160km/h może być utrata odpowiedniego poziomu czujności maszynisty, wynikająca z nałożenia nań zbyt dużej informacji w jednostce czasu. Ponadto zmniejszeniu ulega wtedy czas jaki maszynista ma na zareagowanie na sygnał, który otrzymał z sygnalizatora. W przypadku jazdy z prędkością 200km/h na linii gdzie odcinki izolowane mają długość 1000m maszynista widziałby kolejne sygnalizatory w odstępach czasu mniejszych niż 20s! Z uwagi na to konieczne jest wyposażenie pojazdów trakcyjnych jeżdżących z dużymi prędkościami w sygnalizację umożliwiającą bezprzerwową transmisję informacji o sytuacji ruchowej bezpośrednio do kabiny maszynisty. Umożliwia to stałą obserwację dopuszczalnej prędkości jazdy na szlaku oraz sprawną i szybką reakcję na pojawienie się zmian w krzywej jazdy.

Na kolejach czeskich z powodzeniem eksploatowany jest system LVZ umożliwiający przekazanie informacji z sygnalizatora zlokalizowanego w terenie do kabiny maszynisty, a konkretnie do sygnalizatora zabudowanego przy jednym ze słupków przednich pojazdu. Układ znajdujący się przy semaforze nadaje sygnał o częstotliwości 75Hz w obwód torowy. Sygnał ten odbierany jest przez urządzenia pokładowe zainstalowane na pojeździe. Poszczególne sygnały otrzymywane są poprzez modulowanie częstotliwości w zakresie od 0,9Hz do 5,4Hz.

Zgoła odmienny system przekazywania informacji do pojazdu funkcjonuje na liniach kolejowych dużych prędkości we Francji. Podstawowym elementem wyróżniającym tą sieć od czeskiej KDP jest brak sygnalizatorów przytorowych. Informacje dotyczące sytuacji ruchowej na szlaku przekazywane są maszyniście z wykorzystaniem urządzeń pokładowych bezpośrednio z warstwy podstawowej.

Sukcesywnie wdrażanym systemem sygnalizacji kabinowej na fragmentach sieci PKP PLK S.A. jest zunifikowany europejski system ETCS. Występuje on w trzech odmianach: ETCS lv1, ETCS lv2 oraz ETCS lv3. Najprostsze rozwiązanie systemu ETCS oparte jest na przekazywaniu informacji o wskazaniach sygnalizatora z toru do pojazdu przy pomocy kodera oraz urządzeń transmisji danych. Rolę kodera pełni tutaj moduł LEU, umożliwiający zamianę analogowych danych pobranych z sygnalizatora na dane cyfrowe. Transmisja informacji między pojazdem a torem odbywa się bezprzewodowo z wykorzystaniem balisy zlokalizowanej w torze oraz anteny zamontowanej na pojeździe. Przed zakodowaniem informacji przez LEU muszą one zostać pobrane z urządzeń warstwy podstawowej. Proces pozyskiwania tych danych odbywa się z wykorzystaniem dodatkowych elementów, które instalowane są w obwodach świateł. Układ pozyskiwania informacji skonstruowany jest w taki sposób, by obwód oddziałując na zainstalowany w nim element trzeci przekazywał dane bez żadnych dodatkowych zmian w strukturze tego obwodu. Obecnie na rynku występują dwa popularne rozwiązania służące do zbierania informacji o stanie sygnalizatora, opracowane przez dwa podmioty gospodarcze zajmujące się automatyką kolejową.

2.1. Rezystancyjny model pobierania informacji z sygnalizatora

Pierwsze z rozwiązań umożliwiających zbieranie informacji z komór sygnalizatorów świetlnych opiera się o proste zjawiska występujące w biernych elementach rezystancyjnych. Interfejs składa się w tym przypadku z dwóch rezystorów włączonych równolegle w obwód świateł. Lokalizacja interfejsu w obwodzie uzwojenia pierwotnego transformatora sygnałowego eliminuje zakłócenia wynikające ze zjawisk występujących w transformatorze. Ponadto umożliwia pracę układu elektronicznego przy niższych wartościach prądu.

W kasecie kodera LEU znajduje się zasilacz symetryczny prądu stałego, dwukanałowe karty sterowników balis BD (procesora/interfejsu C), karty adaptacji PABL odpowiedzialne za pobieranie informacji z warstwy podstawowej. Zasilacz zainstalowany w kasecie umożliwia niezależne zasilanie kanałów A i B kart wchodzących w skład urządzenia. Każda z kart wyposażona jest w cztery przyciski funkcyjne umożliwiające załadowanie systemu oraz reset. Ponadto na frontpanelach odnajdziemy dwa dziewięciopinowe gniazda umożliwiające łatwą komunikację doraźną z urządzeniami zewnętrznymi z wykorzystaniem transmisji szeregowej RS podczas czynności związanych z eksploatacją urządzenia. Dwukanałowa praca sterownika balis zapewnia możliwość niezależnego sterowania sygnalizatorami dla kierunku zasadniczego oraz dla kierunku przeciwnego do zasadniczego. Efektem tego rozwiązania jest wysoki poziom bezpieczeństwa. W razie zdiagnozowania nieprawidłowości w pracy jednego z kanałów drugi z nich nie musi zostać wyłączony. Zastosowane rozwiązanie korzystne jest również dla sytuacji ruchowej w przypadku takich usterek jak zanik napięcia zasilania jednego z kanałów, podczas gdy drugi z nich pracuje poprawnie.

Połączenie elementów składowych interfejsu umożliwiającego komunikację systemu ETCS lv1 z warstwą podstawową wymaga fizycznej ingerencji w obwód. Układ umożliwiający uzyskiwanie danych dotyczących wskazań semafora wyposażony jest w dwa rezystory, na których występują spadki napięć.
W układzie znajdują się elementy przeznaczone do pomiaru spadków napięć oraz wyznaczania wartości prądów płynących w obwodzie. Zależnie od warunków zamówienia, do kodera LEU podłączonych może zostać wiele sygnalizatorów bądź do każdego z sygnalizatorów dedykowany jest autonomiczny koder LEU.
W celu zapewnienia maszyniście pojazdu trakcyjnego pełnej informacji dotyczącej sytuacji ruchowej na szlaku układy pomiarowe muszą znajdować się  w każdej z gałęzi świateł sygnałowych, włączając w to również wskaźniki oraz pasy świetlne. Oprogramowanie systemu umożliwia zadeklarowanie dowolnych wartości prądów stanowiących punkt odniesienia dla urządzeń ETCS odpowiedzialnych za przygotowanie statycznej krzywej prędkości oraz dynamicznej krzywej prędkości. Założenia wartości granicznych dla meldunków dotyczących wskazań sygnalizatorów w koderze LEU 6413 Altrac mieszczą się w przedziale natężeń prądu od 30mA do 280mA. W tabeli ### przedstawione zostały szczegółowe informacje dotyczące wartości granicznych dla natężeń prądów mierzonych w obwodzie świateł, będących punktami odniesienia dla systemu.

2.2. Indukcyjny model pobierania informacji z sygnalizatora

Przy zastosowaniu bliźniaczej koncepcji modelu pobierania informacji z sygnalizatora z wykorzystaniem zjawisk będących skutkiem przepływu prądu przez przewodnik rozwiązanie indukcyjne znacznie różni się od poprzedniego. Główna różnica wynika z przyjęcia innego parametru, którego wartość mierzona jest przez urządzenie. Analogicznie do poprzedniego rozwiązania, lokalizacja elementów biernych umożliwia pobieranie informacji wykorzystując w tym celu wartości prądów pochodzące z obwodu uzwojenia pierwotnego transformatora sygnałowego.

Połączenie elementów składowych interfejsu z warstwą zależnościową nie wiąże się z koniecznością wprowadzania zmian w obwodzie świateł sygnalizatora. Rozpatrywany interfejs wykorzystuje zjawisko indukcji magnetycznej, zatem jego zastosowanie nie skutkuje zwiększeniem bądź zmniejszeniem rezystancji obwodu. Układ umożliwiający uzyskanie danych dotyczących wskazań sygnalizatora wyposażony jest w przekładniki prądowe, które mierząc wartość natężenia prądu w obwodzie pełnią rolę czujników.

Przy zastosowaniu elementów dużej dokładności, wartość prądu mierzona z wykorzystaniem czujników indukcyjnych może być podstawą do odniesienia wskazania sygnalizatora do sytuacji ruchowej przedstawionej na pulpicie maszynisty. Koder LEU zrealizowany z wykorzystaniem indukcyjnych czujników świecenia świateł sygnałowych umożliwia przystosowanie do lokalnych warunków, dzięki możliwości zaprogramowania dowolnych wartości granicznych dla meldunków zawierających dane dotyczące natężenia prądu płynącego w obwodzie świateł.

2.3. Porównanie rozwiązań

Zarówno rozwiązanie bazujące na biernych elementach rezystancyjnych jak i biernych elementach indukcyjnych są rozwiązaniami dopuszczonymi do stosowania na sieci PKP PLK S.A. Mimo stosowania obu rozwiązań w tym samym punkcie obwodu świateł, różnią się one zgoła innymi analizowanymi parametrami charakteryzującymi sygnały wyświetlane przez semafor. Kryteriami przyjętymi przy porównaniu rozwiązań są:

a)     Poziom bezpieczeństwa

b)     Koszty instalacji

c)     Możliwość współpracy z urządzeniami zależnościowymi

d)     Lokalizacja elementów pomiarowych

Ad. a)

Rozwiązanie rezystrowe

Ze względu na bezpieczeństwo prowadzenia ruchu, zasadnym jest stwierdzenie, by interfejs nie miał możliwości wpływu na urządzenia warstwy podstawowej. Rozpatrując rozwiązanie bazujące na układzie rezystorowym, wątpliwości wzbudza element, który w celu umożliwienia pobrania informacji o stanie sygnalizatora, musi być włączony w szereg obwodu świateł. Sytuacja taka owocować może zmianami charakterystyki pracy obwodu ze względu na skończoną wartość rezystancji włączonego w obwód elementu. Wpływ oddziaływania dodatkowej rezystancji w obwodzie odczuwalny może być zarówno przez urządzenia warstwy podstawowej, jak również w aspekcie analizy widoczności sygnału. Rzutując na jasność świecenia świateł sygnalizatora element może bezpośrednio przyczyniać się do pogorszenia warunków jazdy pojazdom niewyposażonym w urządzenia pokładowe ETCS.

Zaleca się zatem dobranie odpowiednio niskiej wartości rezystancji elementów, nie wpływającej na jasność świecenia świateł sygnałowych semafora oraz nie wpływającej na reakcję eksploatowanego systemu zależnościowego.

Rozwiązanie indukcyjne

Analizując pod względem bezpieczeństwa rozwiązanie oparte o czujniki indukcyjne należy mieć na uwadze, że zjawisko indukcji występuje między elementami galwanicznie od siebie odizolowanymi. W przypadku pobierania informacji o stanie sygnalizatora, niewątpliwym atutem rozwiązania indukcyjnego jest całkowity brak wpływu na urządzenia warstwy podstawowej, ze względu na brak wprowadzania jakichkolwiek zmian w strukturze wewnętrznej obwodu. Ponadto brak zmian w strukturze obwodu owocuje otrzymaniem na wyjściu takich wartości napięć i prądów płynących w obwodzie, jak w stanie początkowym. Niezmienność wartości tych parametrów względem obecności interfejsu obfituje brakiem wpływu na widoczność sygnału.

Ad. b)

Pod względem finansowym ba rozwiązania charakteryzują się wysokimi kosztami ze względu na konieczność stosowania elementów biernych charakteryzujących się dużą dokładnością pomiaru oraz redundancję elementów pomiarowych. Co więcej, otrzymanie wysokiego poziomu niezawodności oraz pewności pracy urządzenia prowadzi do wzrostu złożoności rozwiązań, a co za tym idzie również kosztów ponoszonych przez producenta.

Ad. c)

Oba rozwiązania wykorzystują elementy bierne, włączane w obwód warstwy podstawowej urządzeń srk. Ze względu na charakterystykę ich praco oraz oddziaływanie obwodu na te elementy, nie występują restrykcyjne ograniczenia dotyczące możliwości współpracy interfejsów z urządzeniami zależnościowymi. Warunkiem koniecznym do spełnienia przez urządzenia sterowania ruchem musi być realizacja układu sterującego sygnalizacją w postaci elektrycznej. W razie nieuwzględnienia podziału obwodu na gałęzie zasilające światła, możliwe jest przystosowanie interfejsu do współpracy z tymi urządzeniami poprzez przeniesienie czujników z obwodu uzwojenia pierwotnego transformatora sygnałowego do obwodu uzwojenia wtórnego transformatora sygnałowego. Tego rodzaju zmiana wiązałaby się również z wprowadzeniem korekt w oprogramowaniu obu interfejsów.

3. Interfejsy a bezpieczeństwo prowadzenia ruchu

4. Wykorzystanie interfejsów ptycznych w celu pobierania informacji z sygnalizatorów
5. Podsumowanie
6. Bibliografia