Nastawnica WT UZm sposobem na niezawodne sterowanie ruchem kolejowym Krzysztof Grochowski Sławomir Jasiński Mariusz Maciejewski Ireneusz Sitek W artykule zaprezentowany został komputerowy system sterowania ruchem kolejowym zaprojektowany i zrealizowany przez pracowników Zakładu Sterowania Ruchem Kolejowym Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej przy współpracy z przemysłem, a następnie wdrożony w warszawskim metrze. Omówiono unikalną architekturę oraz wyniki przeprowadzonej analizy funkcjonalno-niezawodnościowej nastawnicy elektronicznej. terowanie ruchem kolejowym (dalej srk) jest dziedziną techniki, zajmującą się zagadnieniami bezpieczeństwa i sprawności ruchu pojazdów szynowych poruszających się po układach torowych w sposób zorganizowany. Dziedzina obejmuje wszystkie środki transportu szynowego, których pojazdy poruszają się po torze złożonym z dwóch szyn. Urządzenia srk powinny zapewniać wymagany stopień bezpieczeństwa i sprawności ruchu, przy zachowaniu właściwych proporcji między nakładami finansowymi a efektami techniczno-ruchowymi. Elementy, z których budowane są systemy sterowania ruchem kolejowym muszą gwarantować bezpieczeństwo i wysoką niezawodność pracy, zwłaszcza gdy od ich działania zależy bezpieczeństwo ruchu pociągów pasażerskich, kursujących z dużą prędkością lub jest wymagana duża sprawność ruchu [2]. Do rozwoju technik srk przyczyniają się znacznie nowoczesne technologie informatyczne oraz systemy mikroprocesorowe. Powszechnie uznaje się, że technologie komputerowe wyznaczają standard i kierunki postępu techniki srk XXI wieku. Nowoczesne technologicznie rozwiązania stosowane są w wiodącej inwestycji komunikacyjnej, jaką jest warszawskie metro, które mimo niewielkich jeszcze rozmia- dr inż. Krzysztof Grochowski, mgr inż. Mariusz Maciejewski, dr inż. Ireneusz Sitek Politechnika Warszawska, Wydział Transportu, Zakład Sterowania Ruchem Kolejowym, mgr inż. Sławomir Jasiński Kontron East Europe Sp. z o.o. Rys. 1. Szafa sterownika zależnościowego z zainstalowanymi sterownikami VME i komparatorami Rys. 2. Podstawowa (minimalna) konfiguracja WT UZm rów cieszy się ogromnym powodzeniem dziennie przewozi od 280 tys. do 500 tys. osób, na linii o długości 23 km i 21 stacjach kursują pociągi ze średnią prędkością 36 km/h, zazwyczaj w godzinach od 5 00 do 1 00, z częstością maksymalną poniżej 3 min. Z racji misji metra, charakteru usług oraz liczby przewożonych pasażerów, stosowany tu system srk musi charakteryzować się oprócz bezpieczeństwa maksymalną niezawodnością. We wszystkich typach komputerowych systemów srk można wyróżnić trzy poziomy funkcjonalne poziom obsługi i wskazań, poziom zależnościowy oraz poziom sterowania urządzeniami zewnętrznymi. Artykuł przedstawia strukturę funkcjonalną komputerowego nastawczego, parametry niezawodnościowe jego komponentów, analizę następstw usterek oraz dotychczasowe doświadczenia eksploatacyjne. W dalszej części zostaną omówione komputerowe urządzenia zależnościowe typu WT UZm, które zostały zaprojektowane i wykonane na Wydziale Transportu Politechniki Warszawskiej. Stosowany akronim pochodzi od jednostki macierzystej (Wydział Transportu) i funkcji urządzeń (Urządzenie Zależnościowe metra). Architektura komputerowego nastawczego Komputerowe urządzenia zależnościowe typu WT UZm (rys. 2) przeznaczone są do realizacji funkcji zależnościowych, nastawczych, rejestracyjnych i diagnostycznych 19
tości. Przekaźnikowe układy nastawcze zwrotnicowe i obwody świateł sygnalizatorów wymagają dostosowania do współpracy z urządzeniami komputerowymi (stosowane są elektronicznie sterowane obwody świateł oraz zmodyfikowane obwody nastawcze napędów zwrotnicowych). Urządzenia typu WT UZm współpracują z pulpitami elektronicznymi jako systemami nadrzędnymi, standardowo stosowany jest pulpit WT EPN i urządzenia zdalnego sterowania WT ZSiKD. Rys. 3. Rozbudowana konfiguracja WT UZm w systemach srk. Są to urządzenia wielokomputerowe obejmujące: dwa komputery zależnościowe KZ00 A/KZ00 B (realizują przetwarzanie dwukanałowe funkcji zależnościowych i poleceń specjalnych) komputer wybierający KWx0 (przetwarzanie funkcji niemających wpływu na bezpieczeństwo ruchu) jeden lub więcej (w zależności od wielkości posterunku) komputerów jedno-/dwukanałowych KWxx/KZxx (w zależności od funkcji) sterujących i zbierających informacje o stanie urządzeń zewnętrznych i wewnętrznych komputer diagnostyczny KDx0. W razie potrzeby można zastosować dodatkowy komputer testowy (realizujący badania, testowanie itp.). Na życzenie zamawiającego (użytkownika) urządzenia WT UZm mogą być dostarczane z zimną rezerwą komputerów sterujących KZ i KW oraz gorącą rezerwą komputerów diagnostycznych KD (rys. 3). Komputery urządzeń WT UZm powiązane są siecią transmisyjną. Funkcje zależnościowe realizowane są w sposób bezpieczny dzięki zastosowaniu: dwukanałowego przetwarzania informacji specjalnych obwodów odczytywania stanu urządzeń bezpiecznego komparatora umożliwiającego wyprowadzanie polecenia tylko w przypadku zgodności sygnałów z dwu komputerów zależnościowych. Komputerowe urządzenia zależnościowe współpracują z typowymi obwodami torowymi lub innymi układami kontroli generującymi typowy sygnał zaję- Rys. 4. Pulpit nastawczy WT EPN Charakterystyka funkcjonalna nastawczego WT UZm Funkcje dialogowe Funkcje dialogowe zapewniają współpracę dyżurnego ruchu z systemem nastawczym i obejmują: przekazywanie informacji dotyczących stanu urządzeń sterowania ruchem pociągów i sytuacji ruchowej przekazywanie informacji o stanie urządzeń automatycznego ograniczenia prędkości przekazywanie informacji o stanie napięć zasilających przekazywanie informacji o stanie napięcia trakcyjnego informowanie dyżurnego ruchu, w umowny sposób, o zdarzeniach w systemie wymagających zwrócenia uwagi, szczególnie ważne komunikaty wymagają potwierdzenia przez dyżurnego umożliwienie przeglądania na monitorze zapisanych w archiwum istotnych informacji o zdarzeniach w systemie takich, jak: wydane polecenia, brak możliwości wykonania polecenia, brak napięcia itp. 20
przyjmowanie do realizacji poleceń nastawczych sterujących wprowadzanych przez dyżurnego ruchu za pomocą elektronicznego pulpitu nastawczego WT EPN (rys. 4). Funkcje zależnościowe Są to funkcje realizowane przez urządzenia zależnościowe zapewniające przekazanie do wykonania poleceń tylko po spełnieniu warunków związanych z bezpieczeństwem ruchu, odpowiadających właściwościom układu torowego, sytuacji ruchowej oraz zasadom prowadzenia ruchu i obejmujące m.in: realizację indywidualnych poleceń nastawczych (np. przestawienie pojedynczej zwrotnicy, skasowanie sygnalizacji rozprucia zwrotnicy) realizację poleceń nastawiania przebiegów kontrolę wykonalności poleceń wprowadzonych przez dyżurnego ruchu (tzw. kontrola predyspozycji) w odniesieniu do indywidualnych poleceń nastawczych oraz poleceń nastawiania przebiegów wyświetlanie sygnałów zezwalających automatyczną zmianę sygnału zezwalającego na sygnał zabraniający po przejeździe taboru umożliwienie ręcznego zwalniania przebiegów ustawianie sygnału zabraniającego jazdy realizowane z najwyższym priorytetem umożliwienie przestawiania zwrotnic przy wyłączonej kontroli niezajętości odcinka izolowanego umożliwienie skasowania informacji o rozpruciu zwrotnicy realizację poleceń dotyczących blokady liniowej (zmiana kierunku), przy spełnieniu wymaganych warunków. Funkcje rejestracyjne Są to funkcje zapewniające gromadzenie i zapisywanie danych zgodnie z przyjętymi zasadami tworzenia dokumentacji archiwalnej. System wyposażony jest w dwa typy rejestracji rejestrację zdarzeń i rejestrację stanów. Rejestrator stanów rejestruje wszystkie zmiany stanów urządzeń objętych systemem. Rejestrator zdarzeń rejestruje m.in.: wszystkie polecenia nastawcze przyjęte do realizacji przez komputer występujące zdarzenia w systemie polecenia niezrealizowane w wyznaczonym czasie zmianę sygnału na sygnalizatorze zmiany położenia zwrotnicy rozprucie zwrotnicy i moment skasowania jego sygnalizacji utratę kontroli położenia zwrotnicy każde wyłączenie i włączenie napięcia nastawczego zanik transmisji między komputerami komunikaty zgłaszane dyżurnemu przez system oraz moment potwierdzenia ich przez dyżurnego. Funkcje diagnostyczne Dla ułatwienia diagnozowania przez personel stanu urządzeń sterowania ruchem pociągów i lokalizowania ewentualnych usterek w ich pracy, zastosowano komputer diagnostyczny wyposażony w monitor. Na monitorze diagnostycznym można prezentować: podgląd zobrazowania stacji i sytuacji ruchowej obraz analogiczny do przedstawianego na monitorze dyżurnego ruchu (rys. 4) zawartość rejestratora zdarzeń zawartość rejestratora stanów (użytkownik może sprawdzić stan sygnałów wybranego elementu) magnetowid pozwalający na odtwarzanie archiwalnych zapisów zarówno rejestratora zdarzeń jak i rejestratora stanów narzędzie diagnostyczne sterownika zależnościowego umożliwiające m.in.: odczyt wartości prądu w obwodach świateł sygnalizatorów wyświetlanie wykresów prądu w obwodach świateł sygnalizatorów. Zastosowane metody zapewnienia niezawodności Dla zapewnienia wysokich parametrów niezawodnościowych WT Uzm, skorzystano z wieloletnich doświadczeń Zakładu Sterowania Ruchem Kolejowym Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej w projektowaniu, budowie i wdrażaniu systemów zdalnego i miejscowego sterowania urządzeniami srk. Doświadczenia te wskazują, że o niezawodności decydują parametry jego komponentów sprzętu komputerowego oraz układów zasilania. Urządzenia wdrożono do eksploatacji w warszawskim metrze i są obecnie zabudowane na wielu posterunkach, tj. na: stacji Techniczno-Postojowej i stacjach od Dworca Gdańskiego do końca linii. Sprzęt komputerowy Po wieloletnich doświadczeniach w budowie i eksploatacji systemów sterowania, jako podstawę budowy [3] przyjęto rozwiązania oparte na kasetach standardu 19 i wysokości 3U i 6U, które w sposób trwały i pewny utrzymują konstrukcję (rys. 1). Wykorzystane systemy komputerowe to modułowe komputery przemysłowe zbudowane na magistrali VME. Komputery zbierają dane za pomocą wejść dwustanowych i sygnałów analogowych czytanych po RS-422/ 232. Sygnały sterujące to sygnały dwustanowe. Przed zastosowanymi systemami komputerowymi postawiono bardzo wysokie wymagania niezawodnościowe: wysoki poziom pracy bezawaryjnej MTBF (Mean Time Between Failure), zgodnie z normą MIL- -HDBK-217F, poszczególnych elementów, przekraczający 100 000 h odporność temperaturowa separowane galwanicznie obwody wejściowe separowane galwanicznie obwody wyjściowe w komputerach sterujących brak części wirujących (wentylatory, dyski itp.) w komputerach sterujących system operacyjny zapisany w pamięci stałej zapewnienie ponad 15-letniego okresu dostaw. 21
Zasilanie Szczególną uwagę zwrócono na realizację układu zasilania (rys. 5) uznając, że jego stabilna i sprawna praca gwarantuje poprawną eksploatację całego. Transmisja do/z komputera wybierającego Wymiana danych między kanałami A i B oraz synchronizacja kanał A kanał B transmisja do KZxx kanał A transmisja do KZxx kanał B Rys. 5. Schemat powiązania kanałów A i B oraz zasady separacji galwanicznej w systemie WT UZm Wysoką niezawodność urządzeń zasilania osiągnięto stosując następujące rozwiązania: zastosowano zasilacze o wysokiej jakości parametrach napięcia wyjściowego, mogące pracować z redundancją zadbano, aby stałe obciążenie zasilaczy nie przekraczało 50 % wartości znamionowej odseparowano zasilania różnych grup komputerów odseparowano zasilanie komputerów od zasilania sterującego obwody napięć sterujących zasadniczo zamknięto w szafach, a jeżeli nie było to możliwe, to w przekaźnikowni, dzięki czemu osiągnięto zmniejszenie zagrożenia pochodzącego od obcych źródeł zasilania i zewnętrznych zakłóceń. Dekompozycja funkcjonalno-niezawodnościowa Aby uzyskać pełny obraz niezawodnościowy tak złożonego, jakim jest komputerowe urządzenie nastawcze, dokonano dekompozycji funkcjonalnej na komponenty, w których możliwe jest powstawanie awarii i uszkodzeń. Wyróżniono następujące grupy komponentów i ich usterek [1]: sprzętu elektronicznego komputerów sterujących, komputerów pomocniczych, komparatorów, układów transmisji itd. oprogramowania i logiki restart komputerów sterujących, restart komputerów pomocniczych, samoistnie ustępujące zakłócenia w działaniu, błędy, błędy krytyczne zasilania zewnętrznego, systemowego Tab. 1. Przykładowe efekty następstw usterek Uszkodzenia Awarie Komputerów pomocniczych Restart komputerów pomocniczych Samoistnie ustępujące zakłócenia w działaniu Komputerów sterujących Komparatorów Transmisji Systemowego Restarty komputerów sterujących Błędy Błędy krytyczne Sprzętu elektronicznego Pomimo uszkodzenia tych komputerów nadal istnieje możliwość prowadzenia ruchu Oprogramowania i logiki Do tej grupy zaliczany jest każdy restart wykonany z dowolnego powodu Różnego rodzaju zakłócenia działania, których źródło jest trudne do określenia Sprzętu elektronicznego Bardzo często usterka komputera sterującego (zależnościowego lub wybierającego) nie prowadzi do całkowitej utraty sterowania stacją, lecz tylko do lokalnego ograniczenia jej funkcjonalności, jednak ze względu na znaczenie, jakie dla całości mają komputery sterujące, ich uszkodzenia należy zaliczyć do awarii Praktycznie nigdy usterka komparatora nie może doprowadzić do całkowitej utraty sterowania stacją, lecz tylko do lokalnego ograniczenia jej funkcjonalności, jednak ze względu na znaczenie jakie mają komparatory dla całości, ich uszkodzenia należy zaliczyć do awarii Regułą jest, że każda usterka transmisji oddziaływuje na co najmniej dwa komputery, dlatego z reguły prowadzi do wysokiego ograniczenia funkcjonalności Zasilania Powodują całkowitą niedostępność Oprogramowania i logiki Do tej grupy zaliczamy każdy restart komputerów sterujących wykonany z dowolnego powodu Wyniknąć mogą z kilku czynników: błędnego projektu niedostatecznego testowania zmiany założeń projektowych inne błędy w działaniu Błędy ujawniają się jako awarie ograniczając jego funkcjonalność, jednak ze względu na ich znaczenie zaliczono je do awarii Błędy w logice (ich wystąpienie mocno ogranicza wiarygodność ) elektrycznych urządzeń wykonawczych sygnalizatorów (np.: przepalenie żarówek, bezpieczników), napędów itd. mechanicznych i innych sterowników, sygnalizatorów, rozjazdów, kabli (przerwy, zwarcia) itp. 22
Analiza następstw usterek Wszystkie wyróżnione typy usterek mogą ograniczać funkcjonalność srk całkowicie lub częściowo. Analizując niezawodność elektronicznych urządzeń nastawczych typu WT UZm uwzględniono usterki, których źródłem jest konstrukcja i oprogramowanie. Nie uwzględniano usterek generowanych w otoczeniu. Wprowadzono dodatkową klasyfikację usterek na uszkodzenia i awarie, uwzględniającą ich następstwa (tab. 1): uszkodzenie to czasowe ograniczenie dostępności awaria to czasowa niedostępność. Podsumowanie System WT UZm jest efektem wieloletnich doświadczeń Zakładu Sterowania Ruchem Kolejowym Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej w projektowaniu i wdrażaniu systemów kierowania i srk. Doświadczenia te pozwoliły na wypracowanie efektywnych metod zapewnienia wysokiej niezawodności systemów, poprzez właściwy dobór krytycznych komponentów i architekturę ograniczającą następstwa usterek. Długoterminowe doświadczenia eksploatacyjne z wielu obiektów pozwalają stwierdzić, że nastawnica elektroniczna typu WT UZm jest urządzeniem wysoce niezawodnym, spełniającym wysokie standardy dostępności. Rejestracja sygnałów pochodzących z urządzeń srk w znacznym przedziale czasowym pozwala na ich wszechstronną analizę, a w efekcie umożliwia profesjonalną diagnostykę całego, obniżając w efekcie koszty użytkowania i zwiększając sprawność i bezpieczeństwo ruchu pociągów pasażerskich. Bibliografia 1. Dyduch J., Jasiński S.: Analiza funkcjonalno-niezawodnościowa nastawnicy elektronicznej WT UZm. Międzynarodowa Konferencja Naukowa TRANSPORT XXI WIEKU, Stare Jabłonki 2007. 2. Dyduch J., Kornaszewski M.: Systemy sterowania ruchem kolejowym. WPR, Radom 2007. 3. DTR 2002/WT PW/01 Dokumentacja Techniczno-Ruchowa komputerowych urządzeń zależnościowych typu WT UZm, Warszawa 2002. 23