Введение

Современные системы телемеханики и управления технологическими процессами контроля и учета

Этапы развития автоматических и телемеханических систем управления устройствами электроснабжения железнодорожного транспорта, метрополитена и городского транспорта

Автоматика и телемеханика являются важным звеном научно-технического процесса на железнодорожном транспорте. Их внедрение существенно повышает технико-экономическую эффективность электротяговых устройств.

В начальный период электрификации железных дорог нашей страны оборудованием устройств электроснабжения управляли вручную. При этом штат тяговых подстанций составлял 12-14 чел. «Окна», выделяемые для профилактического обслуживания контактной сети, использовались лишь наполовину; остальное время затрачивалось на подготовку рабочих мест – переключения фидерных выключателей и разъединителей контактной сети.

Работы по автоматизации тяговых подстанций были начаты в 30-х годах. В 1932г. на Закавказской ж.д. аппаратурой автоматики образовали фидерные выключатели. В 1934г. ЛИИЖТом была разработана схема автоматики тяговой подстанции с ртутными преобразователями. Успешные опыты по работе в автоматическом режиме были проведены на тяговых подстанциях Мытищи и Щелково.

Первые устройства автоматики выполнялись в виде специализированных аппаратов – контролеров с моторными приводами. Они были надежные в работе, но сложные в изготовлении, громоздки и дороги. После внедрения автоматических устройств, поддерживающих заданный режим работы ртутных преобразователей, повысилась их надежность, сократился расход энергии на собственные нужды, стало легче работать дежурному персоналу. Появилась возможность перейти на дежурство «в одно лицо», что позволило сократить штат подстанции до 9-11 чел.

Интенсивный размах получили новые разработки после принятия Генерального плана электрификации железных дорог в 1956 году. В системах автоматики и телемеханики можно выделить несколько этапов развития.

Первое поколение (1946-1958 гг.) – аппаратура выполнена на стандартных телефонных реле и контактных тяговых искателях (ВРЛ). Релейно–контактная система телемеханики впервые была введена на участке Москва – Раменское. В 1955 – 59 гг. она начала работать на ряде участков общей протяженностью около одной тысячи км. Телемеханика позволила повысить оперативность работы энергодиспетчеров по обеспечению профилактических работ на контактной сети и при ликвидации ее повреждений. Однако релейно-контактная система была трудоемкой в изготовлении и при монтаже. Наработка на отказ ее устройств на первых порах не превышала одного месяца. Споридическая система.

Второе поколение (1959-1975 гг.) – ВНИИЖТом при участии проектного института Трансэлектропроект разработана система БСТ-59 (для тяговых подстанций и постов секционирования) и БТР-60 (для разъединителей контактной сети). С учетом опыта монтажа и наладки этих систем в 1962 г. была разработана система ЭСТ-62, получившая наиболее широкое распространение на сети дорог. Основа элементной базы аппаратуры БСТ-59; БТР-60 и ЭСТ-62 – полупроводниковые приборы (германиевые транзисторы и диоды). Конструктивно система ЭСТ-62 выполнена из тяговых модулей, содержащих наборы логических и функциональных элементов. Модели впервые изготавливали методом печатного монтажа. Аппаратуру телемеханики снабжали также специальными сервисными приборами для облегчения ее технического обслуживания.

В это же время семь тяговых подстанций постоянного и переменного тока были оборудованы электронными устройствами управления, автоматики и защиты. (Сейма-3 на тяговой подстанции Юго-Восточной ж.д. Палатовка); (Миасс – на тяговой подстанции Свердловской ж.д. – постоянный ток). Дальнейшим шагом в развитии комплексной автоматизации и телемеханизации явилось создание электронной системы регулирования напряжения (УТРНК – устройство телерегулирования напряжения в контактной сети). Опытная эксплуатация была начата в 1974 г. на Свердловской ж.д.

(Дать комментарий и отметить слабости элементной базы для создания таких многофункциональных комплексов и в целом ошибочность такого подхода). Дважды наступаем на одни и те же грабли МИУК (Ростов).

Третье поколение (1976-1983 гг.) – связано с внедрением системы телемеханики «Лисна». Вместо германиевых в ней применены более надежные кремниевые приборы, усилена помехоустойчивость элементов, увеличена емкость по числу команд и сигналов, введены телеизмерения напряжений и токов, а также определение расстояния до места к.з. в контактной сети и ВЛ СЦБ. Для предотвращения попадания перенапряжений из цепей подстанции аппаратура телемеханики изолирована от них с помощью оптронных развязок. Если до внедрения телемеханики для обеспечения работ на контактной сети при часовом «окне» требовалось в среднем 30 мин., то при релейно-контактной системе это время составило » 15 мин., а при электронных до 3 мин. Начался переход к дежурству на дому и частично к обслуживанию тяговой подстанции оперативно-ремонтным персоналом. При этом на тяговых подстанциях эксплуатационный персонал сократился до 5-7 чел.

Создание типовых модулей «Сейма» стало крупным шагом в разработке не только средств телемеханики, но и автоматики и защиты от токов короткого замыкания. В короткие сроки были разработаны устройства бесконтактной фидерной автоматики БФАК.

Четвертое поколение (1984-89гг.) – аппаратура выполнена на интегральных микросхемах. Система МРК-85, МСТ-95. Внедрена МРК на Московской железной дороге на участке Москва-Раменское-Конобеево.

Система телемеханики устройств электроснабжения электрифицированных железных дорог в настоящее время представлены фактически, одной системой, имеющей лишь различные модификации. Во всех этих модификациях изменялась элементная база, совершенствовалась схемотехника и конструктивное исполнение, но их структура и принципы построения были заложены ранее и оставались неизменными. Даже использование микропроцессоров в системе ЭЛОТ2100, можно рассматривать с некоторой оговоркой, как совершенствование элементной базы. Все эти системы относятся к системам с жесткой аппаратурной логикой. Функциональные возможности заложены в систему на стадии проектирования и в процессе монтажа, эксплуатации и не могут быть изложены или дополнены.

Пятое поколение (1990-н.в.) – программно-аппаратные технические средства. Говорят, системы выполнены с гибкой программируемой логикой. К системам этого поколения относится разработка НИИЭФА автоматизированной системы телемеханического управления (АСТМУ). Главной отличительной особенностью этой системы являются способ кодирования и передачи информации. В АСТМУ информация передается в цифровом виде. Экспериментальный образец АСТМУ смонтирован на участке железной дороги Чудово-Новгород (3 тяговых подстанции и посты секционирования между ними), установлен на направлении Волховстрой-Свирь (тяговая подстанция Копчаново) с модификацией диспетчерского пункта. Тяговая подстанция Сортировочная по системе полуцентрализаванного управления на КП. В общем система ПЭВМ и сети программируемых контроллеров. AUTOLOG-32.

К этому поколению относится автоматизированная система контроля и управления электроснабжением (АСКУЭ). В основу АСКУЭ положены принципы: магистрально-модульных систем; распределенной структуры управления с максимальным усилением центрального контроллера на диспетчерском пункте и узловых на крупных контролируемых пунктах и рассредоточения встраиваемых микроконтроллеров непосредственно в ячейках объектов контроля и управления. Используется многозадачная операционная система, обеспечивающая решение задач в реальном масштабе времени. Особое внимание уделено каналообразующей аппаратуре. Реализован кольцевой принцип обмена информации на локальном уровне (контролируемый пункт) и при организации связи между ДП и КП (см.слайд).

Остро встает вопрос о необходимости иметь традиционный щит телесигнализации.

Современные системы телемеханики, разработанные МЭЗ МПС РФ совместно с МИИТом, спроектированы с учетом передовых и информационных технологий – микропроцессорная подсистема для сетевых районов с передачей информации по радио АТСР и микропроцессорная система телемеханики нового поколения АМТ-01 для управления объектами тягового электроснабжения.

Опытный комплект аппаратуры АТСР находится в эксплуатации с 2001г., телемеханики АМТ-01 планируется к вводу в опытную эксплуатацию в конце 2001г.

Опытный комплект аппаратуры АТСР предназначена для беспроводного дистанционного управления объектами электроснабжения железнодорожного и муниципального транспорта, а также другими энергетическими и промышленными объектами, расположенными на значительном расстоянии от управляющего центра, особенно в тех случаях, когда прокладка кабеля для связи с управляющим центром затруднена или экономически нецелесообразна. Сигналы о состоянии объектов и сигналы управления объектами передаются посредством радиостанции, работающей в полудуплексном режиме на одном частотном VHF канале шириной 12,5 кГц. Радиус действия радиостанции зависит от мощности её передатчика, чувствительности приемника, высоты антенны, рельефа местности и интенсивности помех на рабочей частоте. Типичный радиус действия системы тьелемеханики с радиостанцией Motorola GM-340 и стандартной антенной составляет 10 км, максимальный радиус действия при благоприятных условиях (вне населенных пунктов, ровный рельеф местности, радиостанция с передатчиком мощностью 25 Вт, антенны высотой 40 м) – до 35 км. Контролироуемые пункты должны быть расположены в пределах прямой видимости – в радиусе действия радиостанции диспетчерского пункта. Время опроса состояния одного контролируемого пункта (при отсутствии изменения состояния контролируемых объектов) – не более 0,2 с.

Другая новая микропроцессорная система телемеханики АМТ-01 предназначена для управления объектами тягового электроснабжения, распределенным вдоль железнодорожных магистралей, расположенными на значительном удалении от управляющего центра, и адаптирована в первую очередь для использования проводных линий связи – воздушных или кабельных.

АМТ-01 является дальнейшим развитием телемеханики МСТ-95 на принципиально новой основе – новая элементная база, протоколы связи и дополнительные возможности.

Рассмотрим оба типа новой телемеханики в свете вышеизложенных тенденций.

В их основу положено использование современных высокопроизводительных микропроцессов. Это позволило применить интеллектуальные протоколы связи, значительно оптимизировать использование каналов связи, снизив исбыточность информации, циркулирующей по ним. Это позволило увеличить число контролируемых пунктов одного круга телемеханики до 255, на каждом пункте число объектов телесигнализации – до 192 в стандартной комплектации (возможно увеличение до 384), число объектов телеуправления – 64 (возможно увеличение до 128). При этом время прохождения команд телеуправления и среднее время прохождения сигналов ТС сократилось.

Аппаратура КП и ДП телемеханики АМТ-01 может использоваться и в составе кругов телемеханики предшествующих поколений – «Лисна» и МСТ-95. В этом случае протоколы этих телемеханик эмулируются, и аппаратура АМТ-01 становится полностью совместимой с ними. Количество объектов ТУ и ТС, количество КП при этом ограничивается на уровне телемеханики МСТ-95.

Подобная возможность предусмотрена для использования новейшей аппаратуры АМТ-01 для модернизации отдельных КП существующих кругов, увеличения их количества, а так же для поэтапной замены целых энергодиспетчерских кругов на новую аппаратуру без перерыва в эксплуатацию. По завершении пуско-наладочных работ всего заменяемого круга, телемеханика АМТ-01 переводится на использование интеллектуальных протоколов связи, что позволяет адресовать большое количество КП, большое количество ТУ и ТС на каждом из них и использовать все преимущества телемеханики нового поколения.

В новых типах телемеханики для полной совместимости с предыдущими сохранены принципы подключения внешних цепей. Это позволяет сохранить существующий монтаж исполнительных цепей на контролируемых пунктах. При замене существующей телемеханики достаточно только подключить кабели внешних цепей к клеммам аппаратуры новой телемеханики.

Объекты телесигнализации рассматриваются как сухие контакты реле, имеющие два положения – замкнутое и разомкнутое. Объекты телеуправления рассматриваются в качестве обмоток промежуточных реле, управляющих силовым оборудованием. Обратные выбросы напряжения, возникающие при отключении реле, гасятся диодами, встроенными в аппаратуру контролируемого пункта, что устраняет необходимость устанавливать их во внешних цепях. Объекты телеуправления могут быть объединены в группы по 4, 8 или 16 объектов, что упрощает их подключение и обслуживание.

Одним их наиболее значительных преимуществ микропроцессорной телемеханики – возможность производить самодиагностику аппаратуры и подключенных исполнительных цепей, и при необходимости сообщать об обнаруженных неисправностях на АРМ телемеханика, установленный на ДП. Подобная функция реализована в обеих телемеханиках – АТСР и АМТ-01.

В состав современной телемеханики входит автоматизированное рабочее место энергодиспетчера – программный комплекс, который облегчает работу диспетчера, ведет учет событий, автоматизирует документооборот и содержит справочные и нормативные документы. Кроме того, программа производит анализ действия диспетчера для предотвращения аварийных ситуаций, предостерегает от потенциально опасных действий и предлагает диспетчеру оптимальные варианты.

В будущем программный комплекс АРМ предполагается совершенствовать в направлении увеличения степени интеллекта, что еще более облегчит труд энергодиспетчера, снизит вероятность ошибочных действий, травматизма и возможного материального ущерба.