Микропроцессорная централизация
Снижение затрат жизненного цикла МПЦ на железных дорогах Нидерландов Основой стратегии снижения затрат жизненного цикла систем централизации на магистральных линиях компании ProRail — оператора железнодорожной инфраструктуры Нидерландов является открытый подход к решению задач в сфере разработки, проектирования, технического обслуживания и реконструкции средств СЦБ. Новая система микропроцессорной централизации (МПЦ), использующая серийную аппаратуру, представляет собой достойную альтернативу имеющимся на сети ProRail системам аналогичного назначения. Ее инженерное сопровождение, ввод в эксплуатацию, модификация, техническое обслуживание и ремонт могут выполняться как минимум двумя участниками рынка. Новая МПЦ впервые на магистральных линиях Нидерландов построена на базе программируемых контроллеров. Она отвечает уровню безопасности SIL4. Компания ProRail в сотрудниче стве с операторами перевозок, под рядчиками и инженерными компа ниями формирует в Нидерландах качественные услуги железнодо рожного транспорта, обеспечивая высокую точность и надежность сообщений на контролируемой ею сети. Для оптимизации предлагае мых услуг компания всячески спо собствует развитию инновацион ного процесса. В этой связи ProRail открыта для развития сотрудниче ства с внешними компаниями, пред лагающими в инициативном поряд ке коммерчески обоснованные ин новационные решения. Консалтинговая компания Mo vares обратилась к ProRail с пред ложением о разработке и реали зации системы МПЦ на базе вы пускаемых серийно стандартных программируемых контроллеров (PLC). Результатом этого шага яви лась совместная работа компаний Movares и ProRail по созданию си
стемы централизации для исполь зования на магистральных линиях. Первая такая система уже введена в
эксплуатацию на станции Сантпо орт-Ноорд (рис. 1). На очереди (в 2014 г.) — станция Бевервейк, вклю ченная в программу замены систем релейной централизации.
Концепция OPEN Концепция OPEN положена Pro Rail в основу своей стратегии сни жения затрат жизненного цикла систем централизации. Ее основ ная идея состоит в том, чтобы из бегать диктата поставщика, обес печивая конкуренцию на каждом этапе жизненного цикла системы, т. е. чтобы всегда имелась возмож ность выбора между как минимум двумя участниками рынка, готовы ми предоставить услуги разработки, инженерного сопровождения, мон тажно-пускового комплекса, тех нического обслуживания и ремон та системы. Такой подход предпо лагает возможность замены части оборудования централизации, раз работанного и смонтированного од ной компанией, на разработку дру гой компании, например, в случае внесения изменений в путевое раз витие станции. Она также исходит
Рис. 1. Шкаф с аппаратурой МПЦ на базе программируемых контроллеров
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2014, № 2 59
Микропроцессорная централизация
из того, что держателем всей доку ментации на установленную систе му должна быть именно компания ProRail, что даст ей возможность осуществлять дальнейшее развитие базовой функциональности систе мы на рыночной тендерной основе. Концепция OPEN существен но отличается от подхода, исполь зовавшегося ранее в Нидерландах применительно к проприетарным системам МПЦ, когда замкнутость на одного поставщика приводила к неоправданно высоким затратам в случаях внесения модификацион ных и других изменений, а также ремонта этих систем. Компания ProRail не намере на ограничиваться в применении концепции OPEN исключительно системами централизации на про граммируемых контроллерах. Она стремится распространить данную концепцию на широкий круг про приетарных и других вновь созда ваемых систем, в первую очередь в рамках программ массовой замены морально устаревших систем ре лейной централизации и общесете вого внедрения европейской систе мы управления движением поездов ETCS. Применительно к проприе тарным системам наиболее важным посылом этой концепции является то, что не только поставщик систе мы, но и другой сертифицирован ный участник рынка должен иметь возможность обеспечивать ее инже нерное сопровождение и развитие. Разработанная совместно с Movares система МПЦ на базе про граммируемых контроллеров яв ляется конкурентоспособным про дуктом, позволившим уже при про ведении недавнего тендера заметно снизить рыночную цену проприе тарных систем.
Специфика Нидерландов В отличие от операторов же лезнодорожной инфраструктуры большинства европейских стран ProRail уже в течение десятилетий
использует унифицированные ин терфейсы, обеспечивающие сопря жение напольных и бортовых си стем управления движением по ездов с системами централизации всех применяемых в Нидерландах типов. Не является исключением и МПЦ на базе программируемых контроллеров. Программируемый контроллер осуществляет расчет выходной ве личины (т. е. сигнального показа ния), используя для этой цели ло гические уравнения. Система сиг нализации, применяемая на сети ProRail, отражена в правилах проек тирования в виде уравнений буле вой алгебры. Эти уравнения транс лируются на язык PLC и уже в пре образованном виде проверяются на достоверность функций сигнализа ции. Это позволяет снизить риски и сократить затраты времени на раз работку новой системы. Традиционный процесс про ектирования систем централиза ции, включая использование си стем управления качеством, впол не применим и в отношении цен трализации на программируемых контроллерах. Знакомство с этим процессом инженеров СЦБ позво ляет, с одной стороны, значительно снизить риски проектирования, а с другой — расширить возможности выбора на открытом рынке серти фицированной компании соответ ствующего инженерно-техническо го профиля в случае необходимости модификации или расширения си стемы централизации.
Управление проектом Инициативное предложение компании Movares предусматрива ет реализацию в системе центра лизации требований действующей инструкции по сигнализации путем использования аппаратуры массо вого производства для сокращения затрат жизненного цикла системы. После принятия этого предложе ния были проведены переговоры
об условиях сотрудничества сто рон, в результате которых ProRail и Movares согласились принять на себя в равных долях ответствен ность за риски, относящиеся к со ответствующей разработке. Были также согласованы и объединены в единое целое стратегические цели двух компаний в проекте. В заклю ченном контракте были оговоре ны все составляющие сотрудниче ства (поставленные цели, создавае мый продукт, роль каждой из ком паний в достижении поставленных целей, состав и содержание резуль тирующей документации). Был так же согласован временно́й регламент проекта, включая даты заверше ния и целевые показатели отдель ных этапов, по завершении которых должно было приниматься решение о продолжении или непродолжении соответствующих работ. Система управления качеством в рамках проекта была сформиро вана на основе соответствующих систем, действующих в компани ях ProRail и Movares. Общие цели, отвечающие интересам обеих при частных компаний в рамках рас сматриваемого проекта, заключа лись в создании системы центра лизации на базе программируе мых контроллеров, совместимой с существующими системами ана логичного назначения, сниже нии затрат ее жизненного цикла и внедрении на действующей стан ции одной из магистральных ли ний сети ProRail. Поэтапный кон троль выполнения проекта, охва тывающий соблюдение установ ленного временного регламента и бюджета, промежуточные резуль таты и показатели качества, осу ществлялся комитетом, сформи рованным из представителей Pro Rail и Movares. В случае выявления негативно го сценария реализации проекта и недостижения им поставленных це лей работы были бы остановлены. Окончательное решение о продол жении или прекращении реализа
60 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2014, № 2
Микропроцессорная централизация
Рис. 2. Схема путевого развития станции Сантпоорт-Ноорд
ции проекта являлось прерогати вой совета директоров ProRail. Реализация рассматриваемого проекта осуществлялась поэтапно. На первом этапе проводилось его технико-экономическое обоснова ние, компании ProRail и Movares подсчитывали потенциальные вы годы от его реализации. Исходя из положительных ре зультатов первого этапа, на вто ром этапе производилось обосно вание технической осуществимо сти проекта в течение десяти отве денных для этой цели месяцев. При этом исследовали только те техни ческие и прикладные аспекты, ко торые вызывали сомнение. Полу ченные положительные результа ты позволили усилить позитивный характер технико-экономического обоснования. С учетом результатов первого и второго этапов совет ди ректоров ProRail дал разрешение на запуск пилотного проекта МПЦ на базе программируемых контролле ров на станции Сантпоорт-Ноорд. Третий этап пилотного проек та был расчленен на два подэта па. На первом (подготовительном) подэтапе завершалась разработка новой системы централизации; на втором (реализация) производи лись работы монтажно-пускового комплекса пилотной версии систе мы, предназначенной для подтвер ждения соответствия разработки предъявляемым требованиям при эксплуатации в среде действующей железнодорожной станции. Разде ление на два подэтапа было произ ведено в связи с тем, что основные затраты (и соответственно выделе ние финансов) третьего этапа дол жны были осуществляться на под этапе реализации.
Таким образом обеспечивался более жесткий временной регла мент проекта и удалось бы избежать ненужных затрат в случае незавер шения разработки или возникнове ния неразрешимых проблем на под готовительном подэтапе. На прак тике оба подэтапа были успешно завершены вводом в эксплуатацию пилотной версии новой системы централизации.
Разработка Типовая система МПЦ на базе программируемых контроллеров разработана в соответствии с тре бованиями стандартов EN 50126, EN 50128 и EN 50129. Пакет до кументов обоснования соответ ствия требованиям безопасности при типовом применении (Gener ic Application Safety Case — GASC) содержит конструкторскую доку ментацию, документацию техни ческого обслуживания, функцио нальные блок-схемы, материалы анализа надежности, готовности, ремонтопригодности и безопасно сти (RAMS) и т. д. На основании технического опи сания было подготовлено обосно вание соответствия требованиям безопасности при конкретном при менении (Specific Application Safe ty Case — SASC) на станции Сантпо орт-Ноорд, план путевого развития которой показан на рис. 2. Данная станция относительно небольшая, однако функциональное наполне ние необходимой для этой стан ции системы централизации до статочно типовое для станций ма гистральных линий сети ProRail. В случае станции Сантпоорт-Но орд была проведена верификация
типовой системы и пакета доку ментации GASC. Содержание паке та SASC было минимизировано пу тем максимизации содержания па кета GASC. В результате при буду щем применении системы на других станциях верификации потребуют только конкретные установки, а па кет SASC может охватывать толь ко то, что делается для конкретной станции в соответствии со специ альными требованиями заказчика.
Архитектура системы Архитектура системы централи зации показана на рис. 3. Ее ядро со ставляют серийные микропроцессо ры программируемых контроллеров и прикладная логика, отвечающие требованиям безопасности SIL4. Прикладная логика включает типо вой сегмент, отражающий требова ния инструкции по сигнализации, и специальный сегмент, привязанный к плану путевого развития конкрет ной станции. Оба сегмента опреде ляют реализацию функций центра лизации в системе. К программируе мому контроллеру подключены си стема обслуживания и диагностики MDS, а также регистратор данных (для передачи данных используют ся стандартная сеть Ethernet и от крытые протоколы). Регистратор данных использу ется для восстановления рабочего состояния системы централизации в случае ее выхода из строя. Связь напольных устройств (стрелок, сиг налов и др.) с блоком центрального процессора (ЦП) реализуется с ис пользованием производимых про мышленностью серийных цифро вых модулей ввода-вывода. Интер фейс связи диспетчерской центра лизации реализован в специальном программном модуле, выполняю щем те же функции, что и аппарат ный преобразователь в системах ре лейной централизации. Обмен ин формацией с ДЦ осуществляется с использованием стандартного про токола IP.
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2014, № 2 61
Микропроцессорная централизация
Аппаратное обеспечение Новая МПЦ разработана в рас чете на применение серийных ком понентов. Естественно, для таких МПЦ никакие компоненты специ ально в промышленных масштабах не выпускаются. В качестве ядра си стемы централизации на платфор ме PLC используется программи руемый контроллер с встроенными функциями безопасности. Выбран ные модули ЦП представляют со бой двухканальную систему обра ботки информации, отвечающую требованиям SIL4. В целях повышения готовно сти системы в нее введены резерв ные модули ЦП. При этом выдер живаются современные требова ния в отношении готовности си стемы, достигающей 99,9998 %, что соответствует времени ее простоя 2 ч на 100 лет работы. Коммерче ски доступная продукция массового производства поддерживает такие
стандарты передачи данных, как Ethernet и Profibus/Profisafe. Поскольку аппаратные модули не привязаны к конкретной при кладной логике, в систему (без вне сения модификационных измене ний в сегмент специфически желез нодорожной логики в составе PLC) могут добавляться модули избы точности. Из нее могут также изы маться модули, ненужные при рабо те на второстепенных линиях. Аппаратура МПЦ на станции Сантпоорт-Ноорд размещена в двух шкафах. В одном шкафу смон тированы центральный програм мируемый контроллер с централь ными процессорами, аппаратурой связи и несколькими устройства ми ввода-вывода (см. рис. 1). С по мощью резервированной линии во локонно-оптической связи к уста новке подключено периферийное напольное оборудование. В сосед нем шкафу установлена аппарату ра регистратора данных и MDS. Эти
Команды управления и извещения
Пост ДЦ
Линии последовательной передачи данных Система диагностики и обслуживания
МПЦ на базе программируемых контроллеров
Системные извещения
Сдвоенная система шин Модуль ЦП 1 Модули цифрового вывода
Модуль ЦП 2
Модуль ЦП 3 Модули цифрового ввода
Логика В стандартном инструментарии разработки задействована стан дартная логика. Для реализации типовых функций СЦБ, например управления стрелочными перевода ми, в рамках проекта разработаны и в полном объеме испытаны унифи цированные функциональные бло ки. Соответствующая документация включена в пакет GASC под инди видуальным идентификационным кодом CRC. Специфические прикладные функции реализованы комбиниро ванием верифицированных функ циональных блоков в соответствии с логикой, формально определен ной в техническом руководстве. Такой подход в общем и целом спо собствует повышению эффективно сти процессов валидации и верифи кации разработок для конкретных станций. Интерфейсы
Регистратор данных
Модуль связи
системы реализованы на промыш ленных компьютерах, адаптирован ных к работе в условиях широкого диапазона температур и вибраций; они не требуют кондиционирова ния воздуха.
Контроллер шины А
Контроллер шины А
Контроллер шины Б
Контроллер шины Б
Аппаратное и программное обес печение напольного оборудования разрабатывалось на основе модуль ного принципа в соответствии с ти повыми техническими требования ми к интерфейсам ProRail и может использоваться с любым наполь ным оборудованием СЦБ.
Верификация и валидация
Шкаф ЦП
Напольное оборудование
Рис. 3. Архитектура новой системы централизации
Шкаф ЦП
Процедура верификации систе мы централизации на платформе PLC включала несколько этапов. Первый этап начинался с эксперти зы текстов документации и кодов и заканчивался лабораторными ис пытаниями отдельных модулей и системы в целом.
62 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2014, № 2
Микропроцессорная централизация
Рис. 4. Модульное строение с аппаратурой МПЦ на станции Сантпоорт-Ноорд
На втором этапе проводилось полномасштабное тестирование мо дулей в контексте экспертизы соот ветствующих технических руко водств, была спроектирована и ис пытана на конкретной станции се ти ProRail пилотная версия системы МПЦ. Одновременно с испытания ми непосредственно технических и программных средств проводи лось тестирование рабочих процес сов с упором на действия персонала в условиях всевозможных отказов системы. В данном случае наимень шее внимание уделялось действиям поездных диспетчеров, поскольку внедрение рассматриваемой систе мы централизации не вносило ка ких‑либо концептуальных измене ний в их работу. В рамках пилотного проекта на станции Сантпоорт-Ноорд было возведено стандартное модульное строение для размещения аппарату ры с возможностью переключения с релейной централизации на новую МПЦ (для проведения испытаний) и наоборот (рис. 4 и 5). Напольное оборудование и соответствующие кабельные соединения на время осуществления пилотного проекта были оставлены без изменений. Испытания пилотной версии новой МПЦ, включая эксперти зу независимого органа по оцен ке безопасности на транспорте,
Рис. 5. Во время испытаний МПЦ на базе программируемых контроллеров на станции Сантпоорт-Ноорд
ProRail (в части валидации и сер тификации рабочих процессов) и национального управления по без опасности на транспорте, были за вершены в июле 2012 г. После это го было произведено переклю чение станции Сантпоорт-Ноорд под управление МПЦ на трехме сячный период опытной эксплуа тации. В течение этого периода тщательно отслеживались рабо та и обслуживание системы с це лью подтверждения правомерно сти предварительных данных, сви детельствовавших о том, что тру доемкость и финансовые затраты на техническое обслуживание но вой системы меньше, чем при ис пользовании релейной централи зации, и значительно меньше, чем при использовании проприетар ных систем МПЦ. За время опытной эксплуата ции пилотной версии МПЦ на ба зе программируемых контролле ров каких‑либо нештатных ситуа ций, связанных с испытываемой системой и ее техническим обслу живанием, не возникло. Получен ные результаты были использова ны для окончательной доработки технической документации и под готовки заявки с целью получения разрешения на массовое внедрение новой МПЦ на сети ProRail. Такое разрешение было получено в дека бре 2012 г.
Перспективы Важным преимуществом систе мы МПЦ на базе программируемых контроллеров является то, что во просы ее модификации, инженер ной привязки к условиям конкрет ных станций, строительно-монтаж ного и пускового комплексов, тех нического обслуживания и ремонта могут решаться на открытом рын ке. Для компании ProRail это явля ется своеобразной адаптацией к бы стро меняющимся условиям совре менного рынка технических средств СЦБ и управления движением по ездов. Новые нормы европейского законодательства и технического регулирования, изменения в сфере стандартизации, структурное раз деление инфраструктуры и перево зок оказывают заметное влияние на сегмент СЦБ. Непрерывно ужесто чающиеся требования в части экс плуатационной совместимости на циональных железнодорожных се тей, безопасности, точности желез нодорожных сообщений, снижения затрат, транспортной доступности и провозной способности железных дорог дополняют картину повсе местных изменений, происходящих на европейском и мировом уровне. Чтобы успешно работать в этих условиях, компании ProRail необ ходимо было выработать страте гию эффективного использования
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2014, № 2 63
Микропроцессорная централизация
имеющихся ресурсов для успешно го развития своего производствен ного и коммерческого потенциа ла. При осуществлении рассматри ваемого проекта МПЦ на базе про граммируемых контроллеров были учтены уроки предыдущих мас штабных проектов компании. Это, в частности, касается организации работ, рабочих процессов и мето дов проектирования, подбора пер сонала и работы с ним. Получен ный при этом опыт в сочетании с успешно проявившей себя концеп цией OPEN может послужить хо рошим фундаментом для будущих масштабных проектов ProRail в об ласти СЦБ.
Система централизации на ба зе программируемых контроллеров сочетает в себе точное соответствие устоявшимся требованиям инструк ции по сигнализации и привержен ность новейшим достижениям в об ласти системотехники, проектного инструментария и стандартизации. Сам проект оказывает позитивное влияние на новое поколение инжене ров СЦБ, поощряя их к дальнейше му развитию его концепции. Новая МПЦ является существенным вкла дом в оптимизацию поддержки жиз ненного цикла систем от начала раз работки до вывода из эксплуатации и утилизации. Упрощение рабочих процессов, развитие стандартизации,
автоматизация и использование фор мализованных методов должны спо собствовать дальнейшему сокраще нию доли трудоемких, сопровождаю щихся многочисленными ошибками и отказами операций. Среда открытого рынка, в кото рую вписана система МПЦ на базе программируемых контроллеров, способствует появлению экономич ных и высокоэффективных систем с улучшенными характеристиками безопасности и надежности. M. Blaauboer, W. Mennen, M. van der Werff. Signal und Draht, 2013, № 11, S. 30 – 33; материалы компаний ProRail (www.prorail.nl) и Movares (www. movares.nl).
п е р В о е М е ЖД У н а р о Д н о е и з Д а н и е
СИСТЕМЫ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ
на железных дорогах мира
ы м е т с Си и к и т а автомемеханики и тел ных дорогах мира ез на жел
асенко гея Вл р е С · а Теег регора цией Г к а д е р Под
64
В книге, которая получила широкую известность среди российских и зарубежных специалистов, анализируются общие принципы и различия систем автоматики и телемеханики на железных дорогах мира, а также тенденции их развития. Это — единственная книга на русском языке, в которой подробно рассмотрено построение современной системы управления движением поездов на базе радиоканала ETCS. Книгу подготовили ведущие эксперты по СЦБ из семи стран — России, Германии, Австрии, Великобритании, Италии, Словакии и США. Книга выпущена при поддержке Департамента автоматики и телемеханики ОАО «РЖД» и российских компаний — изготовителей систем СЦБ. Она рекомендована Управлением кадров и учебных заведений Федерального агентства железнодорожного транспорта в качестве учебного пособия для вузов. Полноцветное высококачественное издание в твердом переплете, 488 страниц, 389 иллюстраций, 23 таблицы. Подробная информация о книге и возможностях ее приобретения на сайте
www.sat-zdm.intext-book.com
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2014, № 2