Лекция 6. Передача данных в системах МПЦ через общедоступные сетиВ процессе развития систем централизации радиус их действия непрерывно увеличивался. Дежурный по станции на посту механической централизации устанавливал напольные устройства посредством тросовых тяг, и расстояние между устройствами управления и напольным оборудованием было небольшим. В настоящее время диспетчер центра управления может находиться в сотнях километров от напольных устройств систем микропроцессорной централизации (МПЦ), входящих в контролируемую им зону. Цифровые технологии передачи данных обеспечили новые информационные возможности. Если ранее по одной паре проводов можно было получить только одно единственное текущее значение измеряемой величины или, напротив, передать исполнительному механизму одну команду, то теперь количество передаваемых данных зависит только от «интеллекта» оконечных устройств. Более того, информационный канал становится двунаправленным. Наиболее важным практическим следствием этого обстоятельства является возможность осуществления удаленной параметризации и калибровки оконечных Наличие единой базы параметров, обслуживание всех подключенных к ЦПС оконечных устройств с одного рабочего места свидетельствует о наступлении новой эры в работе службы КИП предприятия, выводя эту службу на совершенно иной уровень оперативности и эффективности. Быстрая установка предельных уровней и режимов работы позволяет гибко управлять производственным процессом, перенастраивать его согласно меняющимся условиям и задачам. Применение цифровых методов передачи данных дает возможность использовать на полную мощность современные датчики и исполнительные механизмы. Кроме «количественной» составляющей новой концепции информационного обмена, следует отметить качественно новые возможности, предоставляемые узлам ЦПС. Среда передачи данных: – медный кабель; – ВОЛС; – радиосредства для связи с подвижными объектами (Tetra, – сети общего пользования. Существуют три основных режима обмена данными, эффективность использования которых зависит от конкретной задачи. Режим «Ведущий––ведомый». В этом простейшем режиме один из узлов ЦПС является ведущим устройством, которое последовательно опрашивает подчиненные узлы. В зависимости от содержания запроса ведомый узел либо выполняет полученную команду, либо передает ведущему текущие данные с подключенных оконечных устройств. Типичным примером ЦПС, построенной на таком принципе, являются сети PROFIBUS, RS-485. Как правило, роли ведущего и ведомого закрепляются жестко и не меняются в процессе функционирования сети. Режим «Клиент––сервер». Данный режим имеет много общего Режим «Подписка». В этом режиме узел, нуждающийся в регулярном поступлении какой-либо информации, подписывается на её получение от другого узла, после чего получает регулярные рассылки данных без дополнительных запросов. Режим имеет два варианта: в первом случае данные передаются циклически с определенным интервалом вне зависимости от динамики информации; во втором случае данные передаются только в случае их изменения. Данный режим также используется в сетях Foundation Fieldbus. Одним из основных критериев оценки систем АСУ ТП является надежность. Понятие это в распределенных системах весьма многогранно и требует внимательного рассмотрения. Для АСУ ТП, создаваемых на базе ЦПС, следует отметить несколько моментов. 1. По надежности цифровой метод передачи данных намного превосходит аналоговый. Передача в цифровом виде малочувствительна к помехам и гарантирует доставку информации благодаря встроенным в протоколы ЦПС механизмам контрольных сумм, квитирования и повтора искаженных пакетов данных. 2. Надежность функционирования систем АСУ ТП на базе ЦПС с интеллектуальными узлами значительно выше, чем в традиционных структурах, так как выход из строя одного узла не влияет, либо влияет незначительно, на отработку технологических алгоритмов в остальных узлах. Важно также отметить, что разумное распределение управляющих функций значительно снижает нагрузку на центральную управляющую ЭВМ, что также способствует повышению надежности системы в целом. Основной проблемой является защита ЦПС от повреждения кабельной сети, особенно в том случае, если ее топология имеет вид шины. Для критически важных технологических участков эта задача должна решаться дублированием линий связи или наличием нескольких альтернативных путей передачи информации. Системы АСУ ТП редко делаются раз и навсегда; как правило, их состав и структура подвержены коррекции в силу изменяющихся требований производства, поэтому важными критериями оценки закладываемых в проект решений являются гибкость и модифицируемость комплекса. По этим показателям ЦПС, несомненно, намного превосходит традиционную централизованную схему: добавление или удаление отдельных точек ввода вывода и даже целых узлов требует минимальных монтажных работ и может производиться без остановки системы автоматизации. Переконфигурация системы осуществляется на уровне программного обеспечения и также занимает минимальное время. Другая проблема, связанная с развитием системы АСУ ТП, заключается в необходимости применять оборудование различных производителей. На ранних этапах развития ЦПС вопрос совместимости протоколов, заложенных в интеллектуальные оконечные устройства, стоял очень остро. Сейчас практически все широко распространенные решения в этой сфере стандартизованы, что позволяет разработчикам АСУ ТП выбирать оборудование из широкого спектра поставщиков, оптимизируя стоимость проекта и его технологическую структуру. Условием для обеспечения дальности управления является передача данных через общедоступные сети. Эта технология уже несколько лет используется для соединения диспетчерских постов в региональных диспетчерских центрах и линейных пунктов (рис. 6. 1) на железных дорогах Германии (DBAG). В линейных пунктах используются уже проверенные в эксплуатации системы МПЦ.
Рис. 6.1. Передача данных через общедоступную сеть между региональным центром управления и линейным пунктом на железных дорогах Германии Однако если зона действия МПЦ превышает 15 км, то необходимо дополнительно устраивать исполнительные посты. В системах МПЦ компании «Siemens» эти посты соединяют с распорядительным постом двухканальной шиной МПЦ, обладающей высокой эксплуатационной готовностью. По шине МПЦ данные передаются без задержек и в реальном масштабе времени. К числу передаваемых данных относятся, например, извещения о положении стрелок, свободности пути, команды управления. В зависимости от объема передаваемых данных в качестве среды передачи использовались медный и волоконно-оптический (со стеклянными или синтетическими световодами) кабели. Максимальное расстояние между двумя исполнительными постами составляет в настоящее время примерно 30 км (без промежуточных усилителей). Специальная технология компании «Siemens» позволяет передавать ответственные данные между исполнительными постами МПЦ по стандартным выделенным линиям. Стандартные выделенные линии с заданной пропускной способностью выделяются операторами сетей связи (например, компаниями «Arcor» или «Deutsche Telekom»). В отличие от коммутируемых выделенные соединения подключены по жесткой схеме в узлах коммутации операторов сетей. Отказом от прокладки кабеля между исполнительными постами могут быть сэкономлены значительные инвестиции. Стоимость прокладки кабеля к дополнительному исполнительному посту МПЦ составляет примерно 60 евро за погонный метр (включая стоимость кабеля). Плата за аренду выделенных линий связи увеличивает эксплуатационные расходы, но она все же ниже, чем проценты, которые можно получить от вложения сэкономленных инвестиций. На региональных железнодорожных линиях расстояние между станциями (исполнительными постами) может быть весьма значительным. Для таких линий характерны расстояние между станциями 10––20 км, простая программа эксплуатации (например, тактовый график с часовым межпоездным интервалом), скорость движения поездов до 120 км/ч. Региональные железнодорожные линии отличает также большое число переездов, расположенных в среднем через каждые 1, 5 км. Исходя из этих соображений компания «Siemens» расширила семейство своих систем микропроцессорной централизации El S новой системой El S Public net, предназначенной для региональных линий. Новая МПЦ имеет тот же объем функций, что и системы El S и El S net. Для передачи данных необходимы только обновление программного обеспечения МПЦ и дополнительные устройства передачи данных — модули защиты данных и преобразователи. Для железнодорожных компаний преимущества от использования системы El S Public net состоят в том, что в измененной шине МПЦ будут использоваться только проверенные временем стандартные компоненты безопасной передачи данных. Технология управления шифрованием идентична используемой для соединения диспетчерских постов центров управления и линейных пунктов. В связи с тем, что выделенные линии обладают меньшей шириной полосы пропускания по сравнению с межстанционными кабелями, область применения El S Public net ограничена небольшими постами централизации на региональных железнодорожных линиях.
Рис. 6. 2. Сравнение систем МПЦ с традиционной прокладкой кабеля вдоль железнодорожной линии (вверху) и звездообразной структурой шины МПЦ, использующей общедоступные сети связи (внизу) Применение выделенных линий связи позволяет сформировать звездообразную структуру МПЦ, которая обладает более высокой эксплуатационной готовностью по сравнению с традиционными решениями (рис. 6.2). При традиционном решении выход из строя одного из модулей системы МПЦ El S net или исполнительного поста МПЦ означает, что все остальные устройства МПЦ оказываются отрезанными от распорядительного поста. В случае использования общедоступных сетей этого не произойдет. Таким образом, появляется возможность подключать к распорядительному посту МПЦ не только сплошные фрагменты железнодорожных сетей (рис. 6. 3), но и отдельные ответвления и примыкающие участки (рис. 6.4).
Рис. 6.3. Зона действия распорядительного поста МПЦ Типичный пример представляет собой сеть в Средней Франконии, где вся сеть состоит из множества ответвлений, которые при этом организационно объединены в единое целое. Система El S Public net оптимально приспособлена для управления и контроля за такими сетями. Местоположение распорядительного поста можно выбирать произвольно, ориентируясь только на экономические и эксплуатационные факторы. Еще одно преимущество новой системы состоит в возможности поэтапной автоматизации управления и расширения системы вплоть до охвата всей региональной железнодорожной сети, причем подключать исполнительные посты к распорядительному можно в произвольном порядке.
Рис. 6. 4. Возможная зона действия распорядительного поста МПЦ Наряду с ответственной информацией, связанной с работой МПЦ, по шине, которая использует общедоступные сети, может передаваться и другая информация, например извещения от устройств обогрева стрелок, пожарной и охранной сигнализации. При создании системы El S Public net особое внимание уделялось устройствам переездной сигнализации. Необслуживаемые переезды, огражденные сигналами и работающие в режимах дистанционного контроля или сигнальной зависимости, могут быть сохранены в неизменном виде. Обслуживаемые переезды из экономических соображений должны оснащаться средствами автоматики и переводиться в разряд необслуживаемых. Это практически не потребует прокладки новых кабелей, поскольку 98, 9 % переездов на региональных линиях находятся в станционных зонах и работают под управлением систем централизации (рис. 6.5).
Рис. 6.5. Переезд через пути на станции, Передача ответственных данных по общедоступным сетям. При обмене информацией между безопасно работающими компьютерами все пакеты данных должны абсолютно надежно и без искажений поступить нужному получателю в пределах установленного интервала времени. В системах типа El S эту задачу выполняет шина МПЦ. Каждый абонент этой шины периодически проверяет каждое соединение посредством контрольных телеграмм. При этом проверяются возможности следующих нарушений передачи пакетов данных через шину МПЦ: - несанкционированная повторная передача; - пропадание пакетов; - введение в шину посторонних пакетов; - нарушение очередности передачи пакетов; - искажение данных; - задержка передачи пакета данных. Вследствие использования общедоступных сетей в системе El S Public net проверяется также появление в линии телеграмм из других шин МПЦ и допустимых телеграмм из общедоступной сети. Это требует использования модулей защиты данных, которые хорошо зарекомендовали себя при соединении диспетчерских постов региональных центров управления с линейными пунктами. Основной упор при подтверждении безопасности шины МПЦ, реализованной через общедоступную сеть, делался на проверке распознавания отказов и независимости используемых компонентов, а также рассмотрении многократных отказов и задании параметров защитного кода. В отличие от соединения между региональным центром управления и линейным пунктом при реализации шины МПЦ через общедоступную сеть не используется маршрутизатор (рис. 6.6); его задачи берут на себя устройства управления шиной. Все требования к безопасной передаче данных реализованы в компьютерах SIMIS, которые обеспечивают шифрование данных. Модули защиты данных служат исключительно для предотвращения доступа к информации извне согласно требованиям стандарта EN 50159-2.
Рис. 6.6. Передача данных через общедоступную сеть в системе МПЦ Измерительный инструментарий. Чем сложнее компьютерные сети и устройства передачи данных, тем больше роль анализаторов, способных обнаруживать ошибки. Ранее при создании новых систем централизации уделялось недостаточное внимание модернизации измерительной аппаратуры. Результатом стало использование сложных средств диагностики нарушений. Этот опыт был учтен при разработке средств передачи данных в МПЦ через общедоступные сети. Специальные технологии обеспечивают одновременную регистрацию всех передаваемых пакетов данных с временными метками во всех линейных каналах МПЦ. Дополнительно сервисный компьютер регистрирует диагностические данные всех компьютеров SIMIS в системе МПЦ. Если по результатам обработки диагностических данных делается вывод о нарушении в передаче информации между двумя компьютерами SIMIS, можно быстро определить его причину на основе зарегистрированного потока переданных данных. В самой шине МПЦ в любое время и в любом месте подключения к общедоступной сети могут быть инициированы измерения времени прохождения пакета. Таким образом, без дополнительных средств измерений проверяется время передачи по стандартной выделенной линии. Единственное ограничение состоит в невозможности передавать полезную информацию во время таких измерений. Обойти это ограничение позволяет двухканальная структура шины МПЦ — когда в одном канале производятся измерения времени передачи, а по другому можно по-прежнему передавать полезные данные. После завершения измерений проверенному каналу шины МПЦ требуется несколько минут для автоматического переключения в рабочий режим. Затем проверке может быть подвергнут другой канал шины. Все эти проверки могут выполняться при нормальной эксплуатации МПЦ. Обнаруженные нарушения можно в дальнейшем анализировать в автономном режиме. Например, искажения разрядов в каналах передачи с последующей повторной передачей пакетов могут быть подтверждены и в качественном, и в количественном выражении. Длительность хранения зарегистрированных данных зависит от емкости используемого жесткого диска. Так, стандартный жесткий диск емкостью 30 Гбайт позволяет сохранить зарегистрированную информацию в течение примерно четырех месяцев. Новые возможности конфигурирования МПЦ для региональных линий. Применение общедоступной сети для реализации шин МПЦ становится действенной альтернативой прокладке кабелей вдоль железных дорог только в том случае, если объем передаваемых данных ограничен. Для МПЦ на региональных железнодорожных линиях вполне достаточно канала с пропускной способностью 64 кбит/с в дешевой выделенной линии. В концепцию МПЦ El S Public net уже заложены ограничения на объем данных, передаваемых между станциями. По сведениям от операторов общедоступных сетей, эксплуатационная готовность стандартной выделенной линии составляет 97, 5––98, 5 %. Железнодорожная компания может повысить эксплуатационную готовность, выбирая среди нескольких операторов сетей. Резервирование кабельных трасс или выбор управляемых трасс передачи данных позволяет увеличить эксплуатационную готовность до 99, 8 %. Применение стандартных выделенных линий способствует многократному увеличению допустимого расстояния между исполнительными постами МПЦ. Вместо 30 км оно может составлять в будущем до 250 км. Благодаря этому отпадает необходимость в размещении зон действия исполнительных постов по соседству друг с другом. Вызывает интерес возможность применения общедоступных сетей для передачи данных между пространственно разнесенными МПЦ, обслуживающими по несколько станций на региональной железнодорожной линии. Для этого к существующим МПЦ типа El S могут быть подключены модули системы El S Public net. Если ранее было экономически не выгодно подключать к распорядительным постам новые удаленные исполнительные посты, то теперь целесообразно устраивать внутри протяженного участка (оборудованного в остальной части традиционной техникой) исполнительные посты МПЦ и подключать их к уже имеющимся на сети распорядительным постам системы El S. Появляется также возможность независимо друг от друга переоборудовать системы El S с имеющимися между ними блокировочными зависимостями, реализованными посредством обычной шины МПЦ. При этом одну из таких систем можно подключить к шине, использующей общедоступную сеть (добавив в нее, например, модуль El S Public net), и сохранить без изменений блокировочную зависимость по межстанционному кабелю. Испытания. Первые эксперименты по передаче ответственных данных через общедоступные сети компания «Siemens» провела в 2000 году. С начала 2002 года непрерывно ведутся эксплуатационные испытания опытной установки в Центре системных испытаний компании в Брауншвайге. Цель этих интенсивных испытаний состоит в получении дополнительной информации об использовании стандартных выделенных линий в системах СЦБ, в том числе о стабильности соединения в зависимости от интенсивности движения поездов и конфигурации системы централизации (числе исполнительных постов и районных исполнительных компьютеров). Эксплуатационные испытания системы El S Public net, которые проходили 18 мес, были направлены также на оптимизацию таких параметров, как эксплуатационная готовность и ремонтопригодность. Во время испытаний на опытной установке были отработаны разные тестовые ситуации. Новая технология передачи через общедоступные сети стала доступной к середине 2003 года. При выборе конфигурации опытной установки значительное внимание уделялось изучению разных способов подключения через общедоступные сети (рис. 6.7). Один канал шины МПЦ включен через стандартную выделенную линию в Брауншвайге, другой — через сеть компании Deutsche Telekom от Брауншвайга через Магдебург и Гёттинген назад на Брауншвайг. Это позволило проверить устойчивость системы El S Public net к различиям во времени прохождения пакетов данных через сеть. Кроме того, от Центра системных испытаний в Брауншвайге устроены два двухканальных соединения с испытательным центром в Берлине для проверки звездообразной конфигурации шины МПЦ.
Рис. 6.7. Конфигурация шины МПЦ в испытательной установке: 1 — соединение через АТС в Брауншвайге; 2 — соединение между Брауншвайгом и Берлином; 3 — соединение через АТС в Брауншвайге, Магдебурге, Гёттингене, Зезене и назад на Брауншвайг Выполненные исследования соединений в шине МПЦ через общедоступные сети показали, что такая система передачи работает стабильно. Принцип непрерывных двухканальных соединений себя оправдал. Нарушения, возникающие при передаче данных, влекут за собой переход к работе шины в одноканальном режиме. После устранения нарушений двухканальный режим восстанавливается в течение Лекция 7. Схемы управления стрелками Особенности построения принципиальных схем в разных системах процессорных ЭЦ рассмотрим на примере построения схем управления стрелочными электроприводами. Система управления стрелочными электроприводами в системе МПЦ-И (рис. 7. 1). Для малых станций применяется маломощный стрелочный трансформатор, поэтому реализован последовательный перевод стрелок в задаваемых маршрутах. При маршрутном управлении предусмотрен двукратный перевод стрелок. Если остряки стрелки не дошли в требуемое положение через 7 секунд с момента начала перевода, стрелка автоматически возвращается в исходное положение. Далее через три секунды, не зависимо от того, появился контроль исходного положения или нет, попытка перевода повторяется. Второй цикл перевода аналогичен первому. При индивидуальном управлении стрелки переводятся однократно. Защита стрелочных электродвигателей от перегрузок при длительной работе на фрикцию обеспечена ограничением времени перевода. Рабочее напряжение выключается через 20 секунд с момента начала перевода.
|
