PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 121 Transport 2018 Kamil Białek Instytut Kolejnictwa, Laboratorium Automatyki i Telekomunikacji, Warszawa Jacek Paś Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Elektroniki ŚRODOWISKO ELEKTROMAGNETYCZNE NA ROZLEGŁYCH TERENACH KOLEJOWYCH A PROCES UŻYTKOWANIA ELEKTRONICZNYCH SYSTEMÓW BEZPIECZEŃSTWA Rękopis dostarczono: kwiecień 2018 Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki badań pól elektrycznych i magnetycznych z zakresu wyższych częstotliwości, które wytwarzane są przez elektroniczne systemy bezpieczeństwa na rozległych terenach logistycznych. W artykule zaprezentowano również tło środowiska pola elektromagnetycznego. Zniekształcone środowisko elektromagnetyczne może zakłócać pracę urządzeń elektrycznych i elektronicznych, które są użytkowane na obszarze kolejowym. Zwrócono uwagę na oddziaływanie zakłóceń elektromagnetycznych na wybrane elektroniczne systemy bezpieczeństwa. Słowa kluczowe: środowisko elektromagnetyczne, użytkowanie, elektroniczne systemy bezpieczeństwa 1. WPROWADZENIE Rozwój elektrotechniki i elektroniki spowodował wprowadzenie niezliczonych sztucznych źródeł niejonizującego promieniowania elektromagnetycznego, w bardzo szerokim zakresie częstotliwości. Odmienny od naturalnego elektroklimat w środowisku jak i we wnętrzu wszelkiego rodzaju budowli może być kształtowany przez działanie zewnętrznych oraz wewnętrznych (zamierzonych lub niezamierzonych) sztucznych źródeł promieniowania. Występujące zakłócenia elektromagnetyczne mogą być przyczyną np. zwiększenia prawdopodobieństwa fałszywych alarmów (przejście czujki ze stanu dozorowanie z stan alarmowania). W artykule przedstawiono problem diagnozowania środowiska elektromagnetycznego który występuje na rozległym terenie kolejowym i jest zniekształcony poprzez wprowadzenie sztucznych źródeł zakłóceń. Problemem zakłóceń elektromagnetycznych pochodzących od trakcji kolejowej pojawił się we wczesnym okresie rozwoju radiokomunikacji. W wielu krajach już przed II wojną światową istniały służby państwowe zajmujące się zakłóceniami np. Anglia. Zaburzenia
22 Kamil Białek, Jacek Paś elektromagnetyczne generowane na rozległym terenie kolejowym przez źródła zakłóceń zamierzonych lub niezamierzonych oddziaływają na transportowe systemy elektroniczne (TSE) zależnie od zakresu częstotliwości [2,4,8]. Od urządzeń elektronicznych stosowanych w systemach sterowania ruchem kolejowym (SRK) i TSE wymaga się m. in. miniaturyzacji, ograniczonego poboru energii elektrycznej, dużej niezawodności działania. Wprowadzenie tych ograniczeń skutkuje tym, że poziom sygnałów użytecznych urządzeń może być porównywalny z poziomem zakłóceń generowanych np. przez ruchome źródła zakłóceń (pojazdy trakcyjne). Diagnozowanie środowiska elektromagnetycznego na obszarze kolejowym umożliwia ograniczenie skutków oddziaływania zakłóceń na elektroniczne systemy bezpieczeństwa (ESB). Istnieją metody redukcji zakłóceń przewodzonych i promieniowanych których wykorzystanie w procesie projektowania ale także w fazie użytkowania (np. zmiana mocy nadajnika TV istniejącego na danym obszarze) umożliwia funkcjonowanie systemów technicznych w granicach dopuszczalnego poziomu zakłóceń dla danego urządzenia. W artykule przedstawiono badania środowiska elektromagnetycznego na rozległym obszarze kolejowym w wybranych zakresach częstotliwości. 2. PROBLEM BADAWCZY I METODA BADAWCZA Problematyka emisji zakłóceń elektromagnetycznych promieniowanych obejmuje urządzenia elektroniczne zainstalowane w obiektach stałych (dworce, stacje PKP), ruchomych (pojazdy trakcyjne) oraz urządzenia zainstalowane na szlakach kolejowych. W początkowym okresie rozwoju radiokomunikacji istniejące systemy i urządzenia były znacznie oddalone od siebie w przestrzeni, wykorzystywano układy elektroniczne lampowe o dużej mocy, przekaźniki, dlatego problemy związane z emisją zakłóceń elektromagnetycznych (kompatybilnością) praktycznie nie istniał. Generowane zaburzenia elektromagnetyczne nie stwarzały dużego problemu dla urządzeń i systemów, gdyż były one w przeważającej większości typu elektromechanicznego i zazwyczaj pracowały przy dużych poziomach napięć i prądów. Rozwój techniki spowodował, ze sytuacja ta zaczęła ulegać zmianie. Wprowadzanie coraz to większej ilości elementów, urządzeń, systemów elektrycznych i elektronicznych do środowiska kolejowego zaczęły w sposób istotny wpływać na stan środowiska elektromagnetycznego wprowadzenie pojęcia kompatybilności. Zagadnienia te stanowią w znacznej mierze problem techniczny, jest to mianowicie ochrona środowiska elektromagnetycznego dla potrzeb różnych systemów, wewnętrznych np. TSE, jak i zewnętrznych (np. radiokomunikacja, odbiorniki radiowe i telewizyjne, itd.). Wszystkie zainstalowane urządzenia i systemy narażone są na wpływ zewnętrznego środowiska elektromagnetycznego w jakim się znajdują w przypadku kolei także na zakłócenia stacjonarne (np. sieć trakcyjną) i niestacjonarne (np. pojazdy, elektrowozy na szlaku kolejowym). Urządzenie także same oddziaływają na siebie i środowisko (tzw. kompatybilność wewnętrzna), ale także może stać się źródłem zakłóceń dla innych urządzeń znajdujących się w pobliżu (tzw. kompatybilność zewnętrzna).
Środowisko elektromagnetyczne na rozległych terenach kolejowych 23 Na elektroniczne systemy bezpieczeństwa (ESB), które zainstalowane są na rozległym obszarze kolejowym mogą oddziaływać zakłócenia elektromagnetyczne z różnego zakresu częstotliwości. Dla zakresu małych częstotliwości zakłócenia mogą przenikać do systemów przez sprzężenie przez przewodzenie (od obwodów zasilania do magistral transmisyjnych, obwodów zasilania i adresowych czujek, itd.), natomiast dla wyższych długości fal elektromagnetycznych istnieją inne drogi wnikania sygnałów niepożądanych występuje wtedy tzw. sprzężenie indukcyjne i pojemnościowe w polu bliskim oraz promieniowane w polu dalekim rys. 1 [1,3,7,11]. Rys. 1. Oddziaływanie zakłóceń na TSE zainstalowany na rozległym obszarze kolejowym Przegląd literaturowy stanu zagadnienia oddziaływania zakłóceń elektromagnetycznych na transportowe systemy elektroniczne (TSE) potwierdzają wpływ tych niepożądanych sygnałów na proces eksploatacji. Jednym z zagadnień które bardzo często jest analizowane jest zwiększenie prawdopodobieństwa fałszywych alarmów. Występuje to w czujkach które narażone są na odziaływanie zakłóceń elektromagnetycznych. Problem szczególnie ważny w systemach sygnalizacji pożaru (SSP) zlokalizowanych w obiektach narażanych na zakłócenia elektromagnetyczne. Czujki, linie i magistrale transmisyjne o znacznych długościach (oddalone od centrali alarmowej systemu która najczęściej jest instalowana w budynku np. dworca kolejowego) stanowią elementy najbardziej narażone na oddziaływanie zakłóceń elektromagnetycznych z całego zakresu częstotliwości. Dlatego takim ważnym problemem jest ciągłe diagnozowanie stanu środowiska elektromagnetycznego przy wprowadzaniu nowych urządzeń i systemów, których moc znamionowa jest duża (np. zmiana mocy stacji transformatorowej zasilającej trakcję kolejową, zastosowanie nowych silników napędowych i przetwornic statycznych o większej mocy w pojazdach trakcyjnych, zwiększenie mocy nadajników stacji telefonii komórkowej, itd.). Pomiar emisji zaburzeń promieniowanych na rozległym obszarze kolejowym wykonuje się w paśmie częstotliwości od 150 khz do 1 GHz. Poziomy emisji zaburzeń 23
24 Kamil Białek, Jacek Paś promieniowanych powyżej częstotliwości 1 GHz mają bardzo małe amplitudy i maleją wraz ze wzrostem odległości od źródła promieniowania, dlatego obecnie nie dokonuje się pomiarów powyżej częstotliwości 1 GHz. Do pomiaru emisji zaburzeń promieniowanych w paśmie częstotliwości od 150kHz do 1 GHz można zastosować trzy różne rodzaje anten, które umożliwiają całkowite pokrycie (pomiar) w/w zakresie częstotliwości [1,2,5,12,14]. Rodzaje stosowanych anten do pomiaru zaburzeń promieniowanych: antena ramowa (pętlowa) umieszczona równolegle do obiektu, toru umożliwia pomiar składowej magnetycznej H pola elektromagnetycznego. Do pomiarów zastosowano antenę dla zakresu częstotliwości od 150 khz do 30 MHz; antena dwustożkowa oraz logarytmiczno - periodyczna umożliwia pomiar składowej elektrycznej pola. Pomiar wykonuje się dla polaryzacji pionowej anteny oraz poziomej rys. 2. Rys. 2. Schemat stanowiska do pomiaru natężenia pola elektrycznego E w zakresie częstotliwości od 30 MHz do 230 MHz 3. WYNIKI POMIARÓW ZABURZEŃ PROMIENIOWANYCH NA ROZLEGŁYM OBSZARZE KOLEJOWYM Pomiar środowiska pola elektromagnetycznego przeprowadzono dla zakresu częstotliwości od 150 khz do 1GHz. Kolorem zielonym na przedstawionych wykresach zaznaczono przebieg pomiaru tła środowiska elektromagnetycznego dla poszczególnych
Środowisko elektromagnetyczne na rozległych terenach kolejowych 25 podzakresów częstotliwości, natomiast kolorem czerwonym pomiar zaburzeń promieniowanych przez elektroniczny system sygnalizacji pożarowej (SSP) i monitoringu wizyjnego zamontowany na elektronicznym zespole trakcyjnym (EZT). Pomiar został wykonany bez włączonego elektronicznego systemu bezpieczeństwa- tło oraz z załączonym systemem- rys. 3-7. Podczas badań emisji zaburzeń promieniowanych dla następujących podzakresów częstotliwości zaobserwowano przekroczenie poziomu dopuszczalnego określonego w normie PN-EN 50121-2 [14] w zakresie częstotliwości: - od 150 khz do 30MHz podczas pomiaru przy pomocy anteny ramowej w paśmie częstotliwości do 27 MHz - rys. 3. - od 30 MHz do 300 MHz podczas pomiaru przy pomocy anteny dwustożkowej dla polaryzacją pionowej i poziomej w paśmie częstotliwości od 90 MHz do 110 MHzrys. 4-5. - od 300 MHz do 1 GHz podczas pomiaru przy pomocy anteny dwustożkowej dla polaryzacji pionowej i poziomej na częstotliwości około 427 MHz oraz w paśmie częstotliwości od 880 MHz do 960 MHz - rys. 6-7. Rys. 3. Pomiar natężenia pola magnetycznego w zakresie częstotliwości od 150 khz do 30MHz 25
26 Kamil Białek, Jacek Paś Rys.4. Pomiar natężenia pola elektrycznego w zakresie częstotliwości od 30 MHz do 230MHz dla polaryzacji pionowej anteny Rys.5. Pomiar natężenia pola elektrycznego w zakresie częstotliwości od 30 MHz do 230MHz dla polaryzacji poziomej anteny
Środowisko elektromagnetyczne na rozległych terenach kolejowych 27 Rys.6. Pomiar natężenia pola elektrycznego w zakresie częstotliwości od 230 MHz do 1 GHz dla polaryzacji pionowej anteny Badany systemu sygnalizacji pożarowej (SSP) i monitoringu wizyjnego nie wprowadza dodatkowych zakłóceń do środowiska elektromagnetycznego, które może spowodować przekroczenie normy PN-EN 50121-2 [14]. Źródłem dużej emisji zburzeń pola elektromagnetycznego na w/w zakresy częstotliwości są m.in. stacje radiolokacyjne, telewizyjne i radiofoniczne, CB radio, urządzenia nawigacyjne i telekomunikacyjne, które użytkują ściśle określone pasma częstotliwości. Zmierzony wysoki poziom zakłóceń elektromagnetycznych (tła środowiska) może być przyczyną niewłaściwej pracy elektronicznych systemów bezpieczeństwa (ESB), które są zlokalizowane na rozległym obszarze kolejowym. Może to powodować występowanie np. fałszywych alarmów urządzeń pracujących na w/w częstotliwościach, zakłócać pracę bezprzewodowych ESB które wykorzystują dwa ściśle określone zakresy częstotliwości, 433 MHz i 868 MHz. Przy takich częstotliwościach zaburzeń elektromagnetycznych, które występują na rozległym obszarze kolejowym niektóre połączenia i długie okablowanie ESB, szczególnie w systemach telewizji użytkowej (CCTV) może stanowić anteny odbiorcze dla sygnałów zakłócających. 27
28 Kamil Białek, Jacek Paś Rys. 7. Pomiar natężenia pola elektrycznego w zakresie częstotliwości od 230 MHz do 1 GHz dla polaryzacji poziomej anteny 4. PODSUMOWANIE Powszechne stosowane elektronicznych systemów bezpieczeństwa na rozległych obszarach logistycznych powodują konieczność pracy różnorodnych układów przy ich wzajemnym bliskim usytuowaniu [1,2,5,7,10]. Stosowanie układów scalonych, mikroprocesorów w czujkach, centralach alarmowych we wszystkich elektronicznych systemach bezpieczeństwa, powoduje zmniejszenie rozmiarów urządzeń elektronicznych, oraz większe ich upakowanie w mniejszej objętości, co powoduje zwiększenie wystąpienia prawdopodobieństwa zakłóceń zewnętrznych i wewnętrznych. Dlatego takim ważnym problemem jest zapewnienie kompatybilności elektromagnetycznej już na etapie projektowania urządzenia np. czujki, centrali alarmowej, itd. [6,9,13] Po wprowadzeniu wyrobu do użytkowania, zaprojektowaniu całego ESB na rozległym obszarze kolejowym nawet gdy poszczególne urządzenia będą spełniały własną - branżową normę dotyczącą kompatybilności elektromagnetycznej zniekształcone środowisko, istniejące zaburzenia mogą spowodować wystąpienie stanu niezdatności dla danego typu systemu, np. SSP, systemu sygnalizacji włamania i napadu (SSWiN), CCTV czy dźwiękowego systemu ostrzegawczego (DSO) [6,15,16]. Wtedy powstaje problem techniczny związany z eksploatacją danego systemu na obszarze kolejowym. Rozwiązaniem jest stosowanie
Środowisko elektromagnetyczne na rozległych terenach kolejowych 29 zasady piramidy kompatybilności elektromagnetycznej, ale jest to związane z dodatkowymi kosztami np. stosowanie ekranowania lub dodatkowych filtrów. Diagnozowanie stanu środowiska elektromagnetycznego na rozległym obszarze kolejowym jest procesem ciągłym ze względu na wprowadzane nowe urządzenia i systemy techniczne kolejowe i ogólnodostępne (np. nadajniki radiowe i telewizyjne). Przed wprowadzeniem w/w urządzeń do eksploatacji należy wykonać pomiar odporności tych urządzeń na pole elektromagnetyczne. Znajomość środowiska elektromagnetycznego, szczególnie przekroczeń dopuszczalnych wartości pola dla danych zakresów częstotliwości pozwoli wykorzystać w pełni środki dostępne tzw. piramidzie kompatybilności elektromagnetycznej [7,11]. Bibliografia 1. Białek K., Białek R., Ograniczenie emisji zaburzeń przewodzonych spawarki inwertorowej do poziomów akceptowalnych przez normę PN-EN 60974-10, str. 67-70, Przegląd Elektrotechniczny, 12/2017. 2. Białek K., Paś J.: Analysis of electromagnetic environment in an extensive railway area, Biuletyn WAT, Warszawa, 2018. 3. Charoy A., Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych, WNT, Warszawa 1999. 4. Dyduch J., Paś J., Rosiński A., Podstawy eksploatacji transportowych systemów elektronicznych, Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom, 2011. 5. Dłużniewski A., John Ł., Laskowski M.: Ocena poziomu pola elektromagnetycznego w pobliżu szlaku kolejowego, Przegląd elektrotechniczny, str. 164-167, 7/2014. 6. Kuchta M., Paś J.:, Terroryzm elektromagnetyczny zagrożenia w obiektach budowlanych, Biuletyn WAT, 2015 nr 2 Vol. LXIV 2(678) str. 135 148. 7. Ott H. W., Metody redukcji zakłóceń i szumów w układach elektronicznych, WNT, Warszawa, 1979. 8. Paś J., Eksploatacja elektronicznych systemów transportowych, Uniwersytet Technologiczno - Humanistyczny, 2015, Radom. 9. Paś J., Dyduch J., Oddziaływanie zakłóceń elektromagnetycznych na transportowe systemy bezpieczeństwa, Pomiary Automatyka Robotyka, nr 10/2009. 10. Paś J., Choromański W., Results of measurement and determination of threshold electric field component for transport security systems, Archives of Transport Systems Telematics, Volume 8, Issue 1, February 2015, str. 24-29. 11. PN-EN 50121-2, Zastosowania kolejowe Kompatybilność elektromagnetyczna Część 2: Oddziaływanie systemu kolejowego na otoczenie, PKN, Warszawa 2010 r. 12. Rosiński A., Modelowanie procesu eksploatacji systemów telematyki transportu, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2015. 13. Rosiński A., Design of the electronic protection systems with utilization of the method of analysis of reliability structures, Nineteenth International Conference On Systems Engineering (ICSEng 2008), Las Vegas, USA 2008. 14. Rosiński A., Reliability analysis of the electronic protection systems with mixed m branches reliability structure, International Conference European Safety and Reliability (ESREL 2011), Troyes, France 2011. Referat opublikowany jako: A. Rosiński, Reliability analysis of the electronic protection systems with mixed m branches reliability structure, Advances in Safety, Reliability and Risk Management. Editors: Berenguer, Grall & Guedes Soares. Taylor & Francis Group, London, UK 2012. 15. Siergiejczyk M., Rosiński A., Optimisation of transport telematics electronic systems operational process, Polish Journal Of Environmental Studies, Stud. Vol. 20, No. 5A (2011). 16. Siergiejczyk M., Rosiński A., Reliability analysis of electronic protection systems using optical links, monografia Dependable Computer Systems pod redakcją Wojciecha Zamojskiego, Janusza Kacprzyka, Jacka Mazurkiewicza, Jarosława Sugiera i Tomasza Walkowiaka, wydana jako monograficzna seria wydawnicza Advances in intelligent and soft computing, Vol. 97. Wydawca: Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2011. 29
30 Kamil Białek, Jacek Paś ELECTROMAGNETIC ENVIRONMENT ON EXTENSIVE RAIL AREAS AND THE PROCESS OF USING ELECTRONIC SAFETY SYSTEMS Summary: The article presents the results of research electric and magnetic fields in the field of higher frequencies, which are produced by electronic security systems in large logistics areas. The paper also presents the background of the electromagnetic environment. Distorted electromagnetic environment can interfere with the operation of electrical and electronic equipment that are used in the railway area. Particular attention has been paid to the impact of electromagnetic interference on selected electronic security systems. Key words: electromagnetic environment, use, electronic security systems