Микропроцессорная централизация
Децентрализованная архитектура МПЦ на основе сети Sinet в Швейцарии
децентрализованным электроснабжением напольных устройств. Инженер А. Райхлин (A. Reichlin) из швейцарского подразделения компании получил за разработку технологии Sinet награду как лучший изобретатель Siemens за 2013 г.
Архитектура Sinet
Компания Siemens совместно с Высшей школой прикладных наук Цюриха (ZHAW) разработала новую сетевую архитектуру Trackquard Sinet для интеграции децентрализованных напольных устройств в системы централизации, при которой обеспечиваются работа устройств в реальном времени и высокая эксплуатационная готовность (подробнее см. «ЖДМ», 2011, № 9, с. 65 – 70). Осенью 2013 г. новая технология была впервые реализована на практике при оснащении системой микропроцессорной централизации (МПЦ) типа Trackquard Simis W участка одной из линий Федеральных железных дорог Швейцарии (SBB). Применение современных технологий в сферах телекоммуникаций и электроснабжения позволяет внедрять МПЦ со значительно более гибкой архитектурой и уменьшить расходы на техническое обслуживание. Наряду с модернизацией архитектуры систем централизации оператор железнодорожной инфраструктуры рассчитывает также на сокращение требуемых инвестиций и общее уменьшение затрат жизненного цикла. Внедрение новой сетевой технологии преследует следующие цели: • б езопасная передача данных при помощи стандартных технологий и интерфейсов; • применение систем передачи категории 2 по стандарту EN 50159; • переход к модульным МПЦ; • у нификация интерфейсов на уровне модулей, чтобы обеспечить обмен информацией между модулями МПЦ разных изготовителей; • сосредоточение компьютеров централизации на ограниченном числе постов для экономии на помещениях и другой инфраструктуре;
• минимизация расходов на прокладку кабельной сети и монтаж. Архитектура Trackquard Sinet позволяет реализовать эту технологию вплоть до уровня напольных устройств централизации. Разнообразные напольные устройства, например сигналы и устройства переездной сигнализации, подключают к МПЦ через современную сеть с повышенной эксплуатационной готовностью, построенную на основе IP-протоколов. В будущем предусмотрено дополнить архитектуру Trackquard Sinet Система диспетчерского управления
Компьютер централизации
Объектный контроллер
При использовании архитектуры Sinet напольными устройствами управляют расположенные в непосредственной близости от них объектные контроллеры с развитыми средствами диагностики, позволяющими быстро обнаружить и устранить нарушения в работе оборудования (рис. 1). Объектные контроллеры подключены к шине передачи данных и отдельным линиям электроснабжения. Разделение электроснабжения и передачи данных позволяет гибко адаптировать электроснабжение к местным условиям независимо от системы передачи, а также обеспечивать нужный уровень эксплуатационной готовности для конкретного оборудования. Избыточность шины передачи данных, через которую объектные контроллеры соединены с постом централизации, реализована при помощи протокола PRP (Parallel Redundancy Protocol), нормированного стандартом IEC 62439-3. Объектные контроллеры подключают к шине через две независимые линии и сетевые модули SCU. На приемной стороне
Диагностика
Напольное устройство
Электроснабжение
Другие напольные устройства
Рис. 1. Схема МПЦ с архитектурой Sinet
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2014, № 5 65
Микропроцессорная централизация
отбирается первый из принятых пакетов данных, а второй (избыточный) отбрасывается. Это позволяет немедленно обнаружить отказ одной из дублированных шин передачи. Протокол PRP расположен под стеком протоколов TCP/IP, что дает возможность всем приложениям пользоваться избыточностью при передаче данных. Это касается и таких приложений, как диагностика (с передачей по протоколу SNMP) или система видеонаблюдения с потоковой передачей видеоинформации. Они остаются работоспособны при отказе одной из шин опорной сети или другой части сетевой инфраструктуры. По опорной сети Sinet передаются данные разных видов — команды и извещения МПЦ, диагностические данные и т. п. Установление высокого приоритета для управляющей информации позволяет обеспечить ее передачу в реальном времени. Модуль SCU поддерживает стек протоколов TCP/IP и посредством стандартизированного протокола PRP поддерживает передачу пользовательских данных с резервированием. Если на уровне безопасности применяются защитные протоколы с интегрированными механизмами резервирования (например, RaSTA — Rail Safe Transport Application), то и они подреживаются модулями SCU. Применение стандартизированных интерфейсов и протоколов позволяет подключать к сети разнообразные компоненты напольного и постового оборудования. Сеть Sinet предоставляет также детальную диагностическую информацию. Протокол SNMP делает возможным централизованный контроль за состоянием сети при помощи диагностической системы верхнего уровня. Возможен также анализ дополнительной детальной информации (например, частоты ошибок при передаче в линии) при обращении к веб-серверу, встроенному в каждый модуль SCU.
Переход к сетевой архитектуре Sinet может осуществляться поэтапно или охватывать сначала только часть оборудования. Так, в швейцарском проекте к сети подключены только сигналы и устройства переездной сигнализации, а остальное напольное оборудование интегрировано в МПЦ посредством соединений «точка — точка». В перспективе Sinet позволит также реконфигурировать МПЦ, делая возможной передачу отдельных районов управления существующих установок в зону действия других МПЦ.
Основные компоненты Sinet Обмен информацией компьютера централизации с устройствами, подключенными к линейной кольцевой шине, осуществляется, как правило, через сдвоенную опорную сеть. Линейная кольцевая шина допускает подсоединение до 16 модулей SCU, расстояние между которыми при передаче по обычному медному кабелю с использованием протокола SHDSL может достигать нескольких километров. К модулю SCU подключен, как правило, один объектный контроллер. На практике протяженность линейной кольцевой шины составляет от 2 до 10 км, но теоретически она может быть увеличена до 100 км. Максимальное число линейных кольцевых шин, подключенных к компьютеру централизации, ограничивается только мощностью этого компьютера и максимальным числом объектных контроллеров, на которое он рассчитан. Опорная сеть, построенная на базе высокопроизводительной сдвоенной коммуникационной инфраструктуры, соединяет станции железнодорожной линии. Такая сеть, как правило, уже имеется у оператора железнодорожной инфраструктуры и построена на основе стандартного серийно выпускаемого оборудования. Архитектура Sinet поддерживает независимые линейные и
кольцевые структуры в коммуникационных сетях разной конфигурации. Важно, чтобы оба конца линейной шины имели сдвоенное физическое соединение с постом централизации. Протяженность опорной сети (т. е. расстояние между линейными кольцевыми шинами и компьютером централизации) может достигать сотен километров. Сетевой модуль SCU рассчитан на выполнение двух основных задач: • п реобразование протоколов при передаче данных между опорной сетью и линейными кольцевыми шинами; • сдвоенное подключение объектных контроллеров через интерфейс Ethernet к кольцевой линейной шине с протоколом SHDSL. Кроме того, модуль можно использовать для сдвоенного подключения к другим службам, например диагностическим. Привязку к местным условиям применения и сетевые параметры модуля SCU проектируют при помощи программного инструментария. Параметры конфигурации записывают на съемную SD-карту, что существенно упрощает замену прибора при его отказе. Компьютер централизации подключают к опорной сети Ehternet при помощи модуля UCOM-E, который может быть использован вместо прежнего модуля UCOM-I (он служит для ISDN-соединений) без адаптации ПО компьютера централизации. В модуле UCOM-E имеется два порта Ethernet, через которые возможен обмен информацией с четырьмя объектными контроллерами. Компьютер централизации может комплектоваться несколькими модулями UCOM-E. Децентрализованный светофорный модуль MSTT управляет сигнальными лампами и разными устройствами локомотивной сигнализации. Ранее он взаимодействовал с компьютером централизации по линии ISDN. Для подключения к сети Sinet применяется порт Ethernet,
66 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2014, № 5
Микропроцессорная централизация
который прежде служил исключительно для передачи диагностической информации. Внесение изменений в ПО модуля, реализующее ответственные функции, не требуется. В аппаратный ящик, располагающийся у мачты светофора, дополнительно устанавливают модуль SCU с блоком электроснабжения. Децентрализованный модуль управления переездами LCM200 с 2009 г. эксплуатируется на некоторых частных железных дорогах Швейцарии, а с 2013 г. — на SBB. Его коммуникационная архитектура идентична применяемой в модуле MSTT, потому соединение с компьютером централизации реализуется аналогично. В расчете на последовательную децентрализацию объектных контроллеров компания Siemens разрабатывает исполнительные модули и для других напольных устройств, таких как стрелочные электроприводы и счетчики осей подвижного состава. Они основаны на унифицированной коммуникационной платформе, обеспечивающей безопасную передачу данных в компьютер централизации по протоколу RaSTA. В будущем предусмотрено организовать питание напольных устройств посредством шины электроснабжения, имеющей повышенную эксплуатационную готовность. Первые функциональные модули с питанием по такой шине уже испытываются в лабораториях компании Siemens.
Внедрение на SBB Архитектура и стоимость строительства МПЦ определяются рядом факторов, важнейшими из которых являются радиус действия поста централизации и звездообразная кабельная сеть для подключения напольных устройств. По существующим нормам протяженность зоны действия системы централизации не может превышать 13 км. Если возникает необходимость в ее
увеличении, то устраивают удаленные исполнительные посты, для которых приходится строить технические здания с аппаратным помещением, устройствами электроснабжения и кондиционирования воздуха. Расходы на кабельную сеть (включая кабельные каналы, распределительные щиты и т. п.) составляют от 20 до 30 % стоимости системы централизации. SBB уже длительное время стремятся сократить затраты на аппаратуру управления напольными устройствами, выдвигая следующие требования: • снижение расходов на кабельную сеть; • повышение гибкости архитектуры МПЦ; • сохранение при этом эксплуатационной готовности на прежнем уровне или ее повышение; • отказ от проприетарных интерфейсов в пользу стандартных. Основываясь на этих требованиях, компания Siemens в 2010 г. предложила SBB внедрять МПЦ, построенные на технологии Sinet. SBB увидели в этой технологии большой потенциал и приняли решение построить на ее основе две системы централизации — на станциях Тёссталь и Зевелен. На первом этапе в этих системах централизации подключение к МПЦ через сеть Sinet реализовано только для светофоров и переездов. Для получения максимального экономического эффекта SBB одновременно с реализацией этих проектов разрабатывают соответствующие концепции и стандарты, цель которых состоит в быстром поэтапном внедрении технологии с минимальными рисками. Проект на станции Зевелен (рис. 2) идеально подходил для опробования технологии Sinet, причем как в отношении размеров и уровня оснащения системы, так и с точки зрения сроков ввода в эксплуатацию. Проект строительства на станции Зевелен и проект создания сети Sinet для нее выполнялись
раздельно и в компании Siemens, и на SBB. При этом проекты регулярно сопоставляли, чтобы участники получали информацию о состоянии выполнения проектов и пройденных этапах. Для снижения рисков систему комплектовали как новой, так и традиционной кабельной сетью, чтобы при возникновении серьезных проблем с Sinet вернуться к проверенному техническому решению. В конце октября система была своевременно введена в эксплуатацию. МПЦ в Зевелене действует как удаленный пост централизации, распорядительный пост МПЦ Simis W расположен в Буксе. В Зевелене к сети Sinet подключены 12
Пост МПЦ Simis W
Рис. 2. Зона действия МПЦ на станции Зевелен (на карте Google)
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2014, № 5 67
Микропроцессорная централизация
светофоров и три установки переездной сигнализации. Всего устроены две линейные кольцевые шины, подведенные к посту централизации. Наиболее крупная из них охватывает зону протяженностью 5 км. В октябре 2014 г. планируется ввести в эксплуатацию первую очередь МПЦ типа Trackguard Simis W на линии в долине Тёсталь, которая будет контролировать однопутный участок длиной примерно 30 км с 7 станциями и 4 остановочными пунктами. В зону действия МПЦ входят 66 сигналов с модулями MSTT и 30 переездов с модулями LCM200, подключенных к 14 линейным кольцевым шинам. Линейные кольцевые шины будут здесь впервые соединены с компьютерами централизации через принадлежащую SBB сеть SDH, причем
некоторые из этих шин охватывают несколько станций. Внедрение технологии Sinet означает не только объединение в сети напольных устройств СЦБ, но и переход к применению телекоммуникационных сетей в системах обеспечения безопасности движения поездов, а потому службам, ответственным за системы СЦБ и системы связи, необходимо решать новые задачи. Это подразумевает тесное взаимодействие служб и реализацию специальной программы обучения. Сотрудничество специалистов компании Siemens и специализированных подразделений SBB позволило успешно завершить проект в Зевелене. Этому во многом способствовали испытания сетевых технологий, выполненные сначала без влияния на безопасность
движения поездов и позволившие убедиться в их надежности и высокой производительности.
Перспективы На следующем этапе SBB намерены подключить к линейным кольцевым шинам все напольные устройства централизации. Реализовать эту стратегию намечено к 2018 г. SBB сотрудничают с железными дорогами Германии, которые ставят перед собой аналогичные цели, чтобы обеспечить скоординированное взаимодействие со стратегическими поставщиками оборудования. P. Hefti, R. Wagner. Signal und Draht, 2014, № 1, S. 36 – 40; материалы компании Siemens (www.siemens.com) и Высшей школы прикладных наук Цюриха (www. zhaw.ch).
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 и С и к и т а автомемеханики и тел ных дорогах мира ез
на жел
ко Власен Сергея · а г е е аТ Грегор акцией Под ред
68
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, № 5