Zdecentralizowany system sterowania ruchem kolejowym

(1)

Z E S Z Y T Y N A U K O W E PO LITE C H N IK I ŚLĄ SK IEJ Seria: T R A N SPO R T z.40

2000 N r kol. 1490

Jerzy M IK U LSK I D ariusz B OG ACK I Jerzy Ł U K A S IK

ZDECENTRALIZOWANY SYSTEM STEROWANIA RUCHEM KOLEJOWYM

S treszczen ie. Sterow anie ruchem pojazdów kolejow ych je s t szczególnym przy

padkiem sterow ania i m oże by ć traktow any jak o w yodrębniona dziedzina autom atyki.

Z decentralizow any system sterow ania ruchem kolejow ym m usi spełniać te sam e w ym ogi funkcjonalne, ruchow e i bezpieczeństw a co system scentralizow any. Sieć poszczególnych m odułów tw orzy lo k aln ą sieć kom puterow ą połączoną m iędzy sobą kablem transm isyjnym . D o kom unikacji pom iędzy m odułam i w ykorzystano zasadę działania o p artą n a protokole T C P/IP pow szechnie stosow anym w intem ecie.

DECENTRALIZED RAILWAY TRAFFIC CONTROL SYSTEM

S u m m a ry . R ailw ay control system is a special case o f control and m ay be treated as a separate dom ain o f autom ation. A decentralized system has to fulfill the sam e functional, operational and safety requirem ents as the control room operating in a centralized system . The principle o f operation based on TCP/IP protocol ( Transmission C ontrol Protocol/Internet P rotocol) w as used fo r com m unication betw een m odules

1. W STĘP

Sterow anie ruchem pojazdów kolejow ych je st szczególnym przypadkiem sterow ania i m oże być traktow ane ja k o w yodrębniona dziedzina autom atyki. W ynika to z w ym agań staw ianych w iększości system ów sterow ania ruchem w zakresie pew ności działania. Pew ność działania obiektu je s t tu rozum iana jak o praw dopodobieństw o nie wy stąpienia usterki lub uszkodzenia w działaniu tego obiektu w określonych w arunkach pracy i w określonym czasie.

W system ach sterow ania ruchem kolejow ym usterki p ow odują lub m o g ą pow odow ać niespraw ność ruchu, na przykład w postaci opóźnienia pociągu. N ależy je d n a k w ydzielić usterki pow odujące dodatkow o w ystąpienie sytuacji niebezpiecznych. W projektow anych i budow anych system ach sterow ania ruchem kolejow ym nie pow inno się dopuszczać do tego rodzaju usterek.

D la oszacow ania pew ności działania system u lub urządzenia sterow ania ruchem kolejow ym korzysta się z pojęć: bezpieczności i niezaw odności.

(2)

76 J. M ikulski, D. B ogacki, J. Łukasik

2. B U D O W A I Z A S A D A D ZIA Ł A N IA

O becnie do sterow ania i zabezpieczania instalacji torow ych stosuje się na kolei system y o budow ie :

• scentralizow anej,

• zdecentralizow anej.

S ystem scentralizow any reprezentow any je s t w w iększości przy p ad k ó w przez nastaw nie przekaźnikow e pracujące w edług tzw. zasady planu torow ego (każdem u elem en

tow i zew nętrznem u przyporządkow any je s t odpow iedni zestaw przekaźnikow y). N o w szą form ą nastaw ni s ą nastaw nie kolejow e oparte na technice kom puterow ej. T echnika ta w y k o rzy sty w an a je s t rów nież do stw orzenia nastaw ni kolejow ej pracującej w system ie zdecentralizow anym .

S ystem zdecentralizow any m usi spełniać te sam e w ym ogi funkcjonalne, ruchow e i bezpieczeństw a co nastaw nia działająca w system ie scentralizow anym . C ały obszar sterow ania je s t tam podzielony na części, a każdem u pow stałem u w ten sposób zakresow i częściow em u sterow ań przyporządkow any je s t kom puter zadań częściow ych. Przez kom puter centralny p rzekazyw ane są polecenia nastaw cze do kom putera zadań częściow ych, a ten z kolei nadzoruje i zarządza elem entam i zew nętrznym i okręgu nastaw czego poprzez przyłączone do nich kom putery w ykonaw cze - sterow niki lokalne. K ażdem u kom puterow i w ykonaw czem u przyporządkow any je s t je d e n elem ent okręgu nastaw czego. D rugi kom puter zadań częściow ych stanow i „g o rącą rezerw ę” . R ysunek 1 p rzedstaw ia przykładow y zdecentralizow any system sterow ania ruchem kolejow ym .

K om binację sterow nika lokalnego (kom puterow y system w ykonaw czy) i logiki realizow anej przez oprogram ow anie tego sterow nika nazw ano w system ie „m odułem ” . Do realizacji tego ty p u zadania m ożna w ykorzystać program ow alny sterow nik logiczny PLC.

Elem enty zew nętrzne podzielono na dziew ięć różnych ty p ó w m odułów :

• m oduł rozjazdu zw yczajnego,

• m oduł rozjazdu krzyżow ego podw ójnego,

• m oduł rozjazdu krzyżow ego pojedynczego,

• m oduł bezzw rotnicow ego skrzyżow ania torów,

• m oduł sem afora,

• m oduł sygnalizatora pow tarzającego,

• m oduł tarczy ostrzegaw czej,

• m oduł tarczy m anew row ej,

• m oduł nierozgałęzionego odcinka toru.

F unkcje m odułów zależne są od ty p u sterow anego elem entu zew nętrznego. K ażdy m oduł

„analizuje” w yłącznie:

• inform acje o sterow anym elem encie (niezbędne do tego funkcje i przebiegi),

• ograniczone inform acje o bezpośrednio przylegających sąsiednich elem entach lub o m odułach im przyporządkow anych.

Do zasadniczych zadań m odułów należy:

• sterow anie i nadzór nad procesam i nastaw czym i przyporządkow anego elem entu,

• generow anie inform acji o stanie m odułu (m oduł m a w każdym m om encie określony stan),

• w ym iana inform acji oraz w ykorzystanie przyjętych inform acji w celu podejm ow ania w k ażdym m odule, zależnie od ty p u przyporządkow anego elem entu, decyzji,

(3)

Z decentralizow any system sterow ania ruchem kolejow ym 77

• sam otestow anie - aby m ożna było w cześniej rozpoznać w ystępujące defekty urządzeń,

• rozpoznanie „krańcow ych” m odułów system u sterow ania.

H

Informacja dla maszynisty

H

0

Komputer Sterownik Sterownik

centralny wizualizacji transmisji

U

^E

n

M agistrala)

Komputer zadań Komputer radań

częściowych 1 częściowych 2

Urządzenia w budynku nastawni

Komputer Komputer Komputer Komputer

wykonawczy 2n wykonawczy 11

Element zewnętrzny

Dopasowanie Dopasowanie Dopasowanie . . . Dopasowanie

Urządzenia w terenie

Element zewnętrzny

R y s.l. Schem atyczne przedstaw ienie zdecentralizow anego system u sterow ania ruchem kolejow ym

F ig .l. Schem atic representation o f a decentralized railw ay traffic control system

3. K O M U N IK A C JA I T R A N SM ISJA

Połączone ze so b ą m oduły s ą odzw ierciedleniem planu sytuacyjnego torów na stacji i w je j obrębie. Takie założenie pozw ala przedstaw ić plan torow y w postaci sieciow ej,

w ykorzystując ja k o punkty charakterystyczne tej sieci m oduły p oszczególnych elem entów.

U łożenie m odułów nie je s t przypadkow e, gdyż w rzeczyw istości m a ono prow adzić do m ożliw ości tw orzenia drogi przebiegu d la w szystkich sytuacji ruchow ych zaistniałych dla danej stacji.

Z p unktu w idzenia bezpieczeństw a należy zapew nić pew ność działania tak skonstruow anej sieci. Poniew aż nie w szystkie m oduły m o g ą łączyć się ze so b ą w sposób jednoznaczny, m usi istnieć spraw dzanie połączeń m iędzy m odułam i sąsiednim i, ja k rów nież sieć pow stała w w yniku połączenia m odułów m usi być odpow iednio zorientow ana do kierunku nastaw ianej drogi przebiegu. W ty m celu każdem u m odułow i należy nadać status,

(4)

78 J. M ikulski, D. B ogacki, J. Ł ukasik

który o kreśla jednoznacznie jeg o nazw ę i położenie w sieci oraz sposób kom unikacji z m odułam i sąsiednim i. K om unikacja ta nosi nazw ę kom unikacji poziom ej.

W celu uniknięcia skutków aw arii system u sterow ania, w ynikających z niepraw i

dłow ego działania m odułów , pow inna istnieć m ożliw ość w zajem nego spraw dzania się (kontrolow ania). S praw dzanie to m oże odbyw ać się poprzez w ysyłanie przez m oduł określonych danych do m odułu sąsiedniego, który po w ykorzystaniu i „opracow aniu” tych danych koduje je i w y sy ła z pow rotem do m odułu nadającego. Jeżeli dane po zdekodow aniu s ą praw idłow e, to m oduł uw aża m oduł sąsiedni, ja k rów nież połączenie pom iędzy nim i, jak o działające praw idłow o. W przypadku gdy przyjęte i zdekodow ane dane nie s ą praw idłow e, m oduł inform uje kom puter centralny, w m eldunku o sw oim stanie, o aw arii m odułu sąsiedniego.

D odatkow o zabezpieczenie m odułów sterujących przed błędam i m oże być zrealizow ane na dw óch poziom ach:

• na poziom ie sprzętow ym przez zastosow anie układu czasow ego, pełniącego funkcję

„W atch-doga” , adresow anego okresow o po zakończeniu każdego cyklu pracy m odułu,

• n a poziom ie oprogram ow ania przez zastosow anie w szechstronnych testów program o

w ych, których zadaniem je s t kontrola praw idłow ości działania m ikroprocesora (test instrukcji n a stałych d anych i porów nanie w yniku z w zorcem ), pam ięci R A M (test bitów ) oraz pam ięci E P R O M (spraw dzenie praw idłow ości sum kontrolnych).

K om unikacja pom iędzy m odułam i a kom puterem centralnym (sieć pionow a) w ym aga w prow adzenia usystem atyzow anego w ektorow ego opisu sterow ania na bazie m odelu m atem atycznego. W sieci tej w yróżnia się następujące typy sygnałów :

• zgłoszenie rozkazu,

• w ykonanie rozkazu,

• sterow anie danym urządzeniem ,

• kontrola stanu urządzenia,

• zgłoszenie aw arii.

B udow a sieci pionow ej oparta je st na topologii m agistralnej. Sieć ta została przedstaw iona n a rys. 2. Przy zastosow aniu takiej topologii w szystkie m oduły oraz kom puter zadań częściow ych połączone s ą w zajem nie jed n y m w spólnym kanałem transm isyjnym .

R ys.2. Schem atyczne przedstaw ienie sieci pionow ej F ig.2. S chem atic representation o f a vertical netw ork

(5)

Zdecentralizow any system sterow ania ruchem kolejow ym 79

A lgorytm transm isyjny m usi zapew nić ta k ą pracę, aby zaw sze „nadaw ał” tylko jeden uczestnik, w szyscy inni m o g ą jed n ak „nasłuchiw ać”. A lgorytm am i dostępu, które sterują i kontrolują dostęp do łącza transm isyjnego, m o g ą być:

• algorytm C SM A /C D (C arrier Sense M ultiple A ccess w ith C ollisions D etection - w ielodostępność ze spraw dzaniem transm isji w sieci i w ykryw aniem kolizji),

• algorytm z przekazyw aniem znacznika (Token Passing). Podstaw ow ym założeniem tej m etody sterow ania dostępem m odułów do łącza transm isyjnego je s t unikanie jakichkolw iek kolizji w sieci. Praw o nadaw ania m a w każdej chw ili ty lk o jed en moduł, który posiada pew ien um ow ny znacznik.

A utom atyczna sam okonfiguracja zdecentralizow anego system u sterow ania ruchem kolejow ym m ożliw a je s t dzięki szczególnym w łasnościom , które w y n ik ają z je g o budow y oraz budow y poszczególnych modułów. Jej w ynikiem pow inien być gotow y i praw idłow o pracujący system sterow ania. Pow inna ona odbyw ać się :

• w m om encie urucham iania now ego systemu,

• po każdej zm ianie topologii torów, a w ięc w m om encie przyłączania do system u now ych m odułów, w zględnie ich odłączania,

• po każdym w yłączeniu lub w ystąpieniu defektów całego system u lub je g o składników , w następującym po je g o napraw ie lub napraw ie jeg o składników ponow nym starcie.

Przebieg sam okonfiguracji system u m ożna podzielić na trzy fazy:

• faza w pisyw ania danych do kom puterów zakresów częściow ych,

• faza nadaw ania m odułom atrybutów stałych,

• faza w pisyw ania danych do modułów.

4. O G Ó LN E ZA SA D Y D Z IA Ł A N IA SIECI

W zdecentralizow anym system ie sterow ania ruchem kolejow ym poszczególne m oduły będące odzw ierciedleniem planu sytuacyjnego torów na stacji i w jej obrębie tw o rzą lokalną sieć, po łączo n ą m iędzy so b ą kablem transm isyjnym .

Przykładow y plan sytuacyjny oraz odpow iadające m u połączenia m iędzy m odułam i przedstaw iają rys. 3 i 4.

Itl O Tm It2 Q T m 3 It3 Q — I D

A ( - 0 Tm D

It4

TmQ

It5 It6 07 0 - 1

B l- O

lt8

^ 119

Tm

Q T m It 10

E l - 0

1,11 Q _ ,

c i—o Tm?0 Tm D G h -O

Rys.3. P rzykładow y fragm ent okręgu nastaw czego Fig.3. A n exam ple o f a control area fragm ent

(6)

>— CXD©

_ 1

^{— c ®}

_

A

Îtl ^{Tm i} Î ^Tm2 ^lt¹ ^Tm3 ^Tm4 Ît3 ^d

1 , , 1

i 115 lm6 5 It6 t It7 K

i-O O B e a x > -i

c It8 I m7 4 It9 lmH ItlO Tm9 6 Ci U li H

R ys.4. P ołączenia pom iędzy m odułam i (sieć poziom a) Fig.4. C onnection betw een m odules (horizontal netw ork)

Sieć poszczególnych m odułów oraz kom puter centralny tw o rzą lo k aln ą sieć k om puterow ą p o łącz o n ą m iędzy sobą kablem transm isyjnym . Do kom unikacji pom iędzy m odułam i w ykorzystano zasadę działania o p artą na protokole T C P/IP ( Transmission Contro!

Protocol/Internet P rotocol) pow szechnie stosow anym w Internecie.

K ażda w iadom ość przesyłana w sieci, w ykorzystująca protokół T C P/IP, przechodzi przez cztery w arstw y: aplikacji, transportow ą, sieciow ą i łącza.

Podział ty ch w arstw został pokazany n a rys. 5.

w a r s tw a a p lik a c ji a p lik a c je

w a r s tw a tr a n s p o r to w a T C P

w a r s tw a siec i IP

w a r s tw a }ą c z a in te rfe js

R ys.5. Cztery w arstw y protokołów T C P/IP F ig.5. Four levels o f T C P/IP protocols

W arstw a łącza, nazyw ana często w arstw ą łącza danych lub dostępu, zaw iera program y obsługi urządzeń w chodzących w skład system u operacyjnego i kart interfejsów .

W arstw a sieci obsługuje ruch pakietów w sieci. W arstw ę tę tw o rzą protokół IP i inne protokoły w chodzące w skład protokołu TCP/IP.

W arstw a transportow a zapew nia przepływ danych pom iędzy dw om a hostam i (m odułam i) obsługując zn ajd u jącą się nad n ią w arstw ę aplikacji.

W arstw a aplikacji obsługuje funkcje zw iązane z określo n ą ap lik acją korzystającą z sieci.

Tak sam o ja k w sieci internet każdy m oduł sieci zdecentralizow anego system u sterow ania ruchem kolejow ym m usi posiadać unikalny adres, identyfikujący go w sposób jednoznaczny w sieci. W ty m celu konieczne je s t istnienie jednego centrum zarządzającego przydziałem adresów . T a k ą rolę spełnia kom puter centralny dla danego okręgu nastaw czego.

(7)

Z ałożono, że, podobnie ja k to m a m iejsce w sieci internet, długość takiego adresu będzie w ynosiła 32 bity. T e 32 bity adresu zapisane b ę d ą w postaci czterech liczb dziesiętnych, rozdzielonych kropkam i.

W sieci internet w ystępuje pięć klas adresów internetow ych. D la celów niniejszej pracy zo stan ą w ybrane trzy klasy „A ” , „B ” i „C ” , um ożliw iające kom unikację z pojedynczy

mi m odułam i. W późniejszym czasie, po przeprow adzeniu prób z o k re ś lo n ą „rzeczyw istą”

liczbą elem entów z przykładow ego okręgu nastaw czego, zostanie w ybrana jed n a, najbardziej odpow iadająca sposobow i zapisu klasa, w edług której oznaczone zo stan ą poszczególne m oduły.

W szystkie pakiety inform acji w takiej sieci dostępne byłyby d la każdego elem entu (m odułu) sieci, g d y ż poszczególne m oduły połączone są jed n y m kablem . N atom iast to, do którego z poszczególnych m odułów w ysłana je s t inform acja, zostanie odczytane przez konkretny m oduł na podstaw ie nadanego adresu docelow ego. K ażdy m oduł posiada swój adres i przyjm uje tylko te pakiety, które są do niego adresow ane.

P rzesył danych w sieci lokalnej (np. Ethernet) następuje za p o m o cą ram ek. Tw orzenie ram ki (enkapsulacja) przebiega następująco: kiedy aplikacja w ysyła dane za p o m o c ą TCP, to p rzechodzą one w dół zestaw u protokołów przez k ażd ą w arstw ę, dopóki nie zo stan ą przesłane przez sieć w postaci ciągu bitów . K ażda w arstw a uzupełnia otrzym ane z w arstw y wyższej dane o sw oje w łasne, dołączając je w postaci nagłów ka.

Proces ten ilustruje rys. 6.

Rys. 6. T w orzenie ram ki danych przekazyw anych w dół stosu protokołów Fig. 6. C reation o f fram e for data transferred dow n the protocol stack

K iedy ram ka trafi do m iejsca przeznaczenia rozpoczyna się proces odw rotny. W szystkie nagłów ki s ą usuw ane przez odpow iednie protokoły przekazujące sobie dane. K ażdy protokół przegląda pole sw ojego nagłów ka zaw ierające identyfikator, aby określić, do którego protokołu z w arstw y w yższej należy skierow ać dane. Proces ten zw any je s t dem ultipleksacją.

(8)

Sposób przekazyw ania danych pom iędzy m odułam i przedstaw ia rys. 7. W pow yższym przypadku m oduł, do którego zostały w ysłane dane, je s t przyłączony do tej samej sieci.

i

adres EP przeznaczenia = xxx.xxx.xx.35

t

adres przeznaczenia Enet = numer Enet z xxx.xxx.xx.35

R ys. 7. D ostarczanie telegram u z m odułu 30 do m odułu 35 Fig. 7. D elivery o f a telegram from m odule 30 to m odule 35

W sieci rozległej, ja k ą je s t sieć internet, schem at połączeń nieustannie się zm ienia. Tak sam o je s t rów nież w sieci lokalnej sterow ania ruchem kolejow ym : pociągi przyjeżdżają i o d jeżd ż ająze stacji, je d n e s to ją n a stacji krócej inne dłużej itp.

W celu niedopuszczenia w ystąpienia sytuacji niebezpiecznej m u szą istnieć narzędzia pozw alające spraw dzać, czy istn ieją połączenia m iędzy poszczególnym i m odułam i lub czy dany m oduł je s t dobry lub uszkodzony. Do tego celu m ożna w ykorzystać program y diagnostyczne pozw alające określić czy dany m oduł działa, czy też nie, ja k rów nież określić, w ja k i sposób (jak ą trasą) pakiet inform acji dociera do danego m odułu. Sieć tego typu pow inna rów nież zapew nić m ożliw ość zlecania w ykonyw ania odpow iednich program ów um ożliw iających sterow anie różnego rodzaju urządzeniam i w terenie.

L ite r a tu r a

1. Stevens W. R.: T C P /IP T om 1: Protokoły, O ficyna w ydaw nicza R EA D M E, W arszaw a, 1998.

2. Stevens W. R., W right G.: T C P/IP Tom 2: Im plem entacje, O ficyna w ydaw nicza REA D M E, W arszaw a, 1998.

3. Corner D.: Sieci kom puterow e. T C P/IP Z asady, protokoły i architektura. C z .l, W NT, W arszaw a, 1998

4. P rk e rT .: T C P/IP, W ydaw nictw o H elion, G liw ice, 1997.

5. M ikulski J., Z y ch K.: M odel sieciow y układu torow ego, ZN Pol. Śl., T ransport 1994.

R ecenzent: Doc. dr inż. Z bigniew G inalski

(9)

A b s tr a c t

This article treats an idea o f decentralized railw ay traffic control system featuring m odular structure and using a new technology to control the execution w ayside devices based on program m able logic controllers. There is also presented an innovatory approach to the com m unication betw een individual m odules based on w idespread in use T C P/IP protocol.