Platformă robotizată multirol pentru operațiuni de mentenanță feroviară [307847]

Platformă robotizată multirol pentru operațiuni de mentenanță feroviară

Student: [anonimizat] 1 –

Capitolul 2 – Metode de detecție a trenului

2.1 Circuite de cale,

2.2 Numărătoare de osii

Capitolul 3 – Platforma

3.1 Proiectare Hardware

3.2 Proiectare Sofware

Capitolul 4 – Dezvoltari ulterioare

Capitolul 5 – Concluzii

Bibliografie

ABSTRACT

Actualul proiect prezintă integrarea în sistemele de mentenanță feroviară a mediului de programare LabVIEW și a platformei reconfigurabile myRIO-1900. [anonimizat] a [anonimizat] a tunelurilor, [anonimizat], a fumului și protecția împotriva incendiilor.

Datele recepționate de la rețeaua distribuită de senzori sunt procesate de către platforma myRIO și transmise prin intermediul unui modem GSM.

Informațiile de la senzori includ: [anonimizat], astfel încât locul producerii unui eveniment este afișat în timp real.

Platforma RoboRail utilizează camere web pentru a [anonimizat] a mărfurilor. [anonimizat]. [anonimizat], materialului rulant și a personalului de mentenanță.

Sistemul LabVIEW permite utilizarea circuitelor electronice, a [anonimizat], în faza de producție a produsului.

Capitolul 2 – Metode de detecție a trenului

2.1 Circuite de cale

Circuitul de cale este un ansamblu format dintr-o [anonimizat], și un echipament de decizie al stării de liber sau ocupat al secțiunii. Trenul își face simțită prezența prin șuntarea celor doua șine care închid circuitul electric pe porțiunea controlată din linie.

[anonimizat], care au ca funcție de bază controlarea stării de „liber” sau „ocupat” a secțiunilor izolate de cale ferată. [anonimizat], [anonimizat] o rezistență ohmică de valoare foarte mică (sub 0,01 ohmi). [anonimizat] a [anonimizat], și aflate în contact electric ferm cu șinele căii ferate ale secțiunilor izolate (controlate prin nivel de tensiune) nu mai permite transferul de energie electrică de la una din extremități (de emisie) către cealaltă extremitate a circuitului de cale de recepție (care poate fi singulară sau multiplă), ca urmare a efectului de șunt ohmic realizat.

Circuitul de cale reprezintă baza instalației de comandă centralizată a circulației sau de dirijare în mod automat a circulației trenurilor între două stații.

Soluția tehnică a circuitelor de cale mai vechi s-a bazat pe generarea electromecanică a [anonimizat] a [anonimizat]ră delimitării zonelor controlate ale secțiunilor izolate, și condiția de continuitate electrică pentru sutele de amperi necesari motoarelor de tracțiune electrică sau sistemelor de climatizare a vagoanelor de călători a fost posibilă prin introducerea la perechile de joante izolante a unor transformatoare speciale, denumite bobine de joanta, care permit închiderea circuitului de retur de la rotile locomotivelor sau ale vagoanelor climatizate prin șine spre sursa de energie.

Modernizarea sistemelor de dirijare a traficului feroviar a determinat și modificarea funcțiilor pe care trebuie să le îndeplinească echipamentele tip circuit de cale. Prezența pe secțiunea controlată de către circuitul de cale chiar și a unei singure osii, în repaus sau deplasare și care execută un contact electric ferm cu șinele de cale ferată, controlate prin nivel de tensiune, ca urmare a șuntului ohmic realizat, nu permite transferul semnalului de la capătul de emisie (TX) către receptie (RX), astfel încât releul de cale se va dezexcita, iar prin contactele sale va afișa la aparatul de comandă sau interfața HMI starea secțiunii respective.

În figurile de mai jos sunt prezentate simboluri videografice tipice pentru starea circuitelor de cale incluse într-o instalație de centralizare electronică tip EBILOCK-Bombardier.

Figura 4. Stare necunoscută / fără control / defect (gri clipitor)

Circuitele moderne care sunt prezente pe infrastructurile feroviare nu mai sunt doar traductoare pentru deplasarea trenului și verificarea integrității șinelor, astfel încât implică și transmisiuni de date sol-bord către echipamentul îmbarcat (subsisteme ATP).

Figura 13. Coduri de viteză (telegrame) specifice sistemului ATP la Metrorex

Transmisia de informații (telegrame) către tren a reprezentat un pas important pentru dezvoltarea sistemelor pentru conducerea automată a trenurilor (ATO).

Sistemul ATO reprezintă un element de bază în procesul de optimizare a circulației trenurilor electrice de metrou. Această optimizare se concretizează prin realizarea obiectivelor de regularizare a circulației, prin transmiterea și recepționarea ordinelor de mers sau reținerea unor trenuri în stații pentru o anumită perioadă de timp.

Figura 14. Schemă bloc sistem ATO

Circuite de cale de curent continuu

Controlul liniei în curent continuu a reprezentat principala metodă pentru detecția materialului rulant, dar numeroasele dezavantaje au determinat scoaterea acestora din funcție.

Cel mai important dezavantaj prezent la controlul liniei în curent continuu a fost “efectul de

acumulator” care se manifestă pe liniile cu traverse de beton armat.

Acest tip de traversă prezintă un efect de polarizare a ionilor din balast, care datorită umidității se comportă ca un electrolit. Efectul de polarizare se manifestă prin apariția unei temporizări de ordinul zecilor de secunde în momentul ocupării circuitului la capătul de emisie (TX), fapt care nu poate fi admis conform normativelor în vigoare.

Controlul stării de liber/ocupat este asigurat pe secțiuni având o lungime de maximum 1,2km, iar alimentarea în caz de avarie a rețelei de alimentare cu energie electrică se realizează prin intermediul unui acumulator. Reglajul acestui tip de circuit de cale se realizează prin intermediul unui rezistor semireglabil, astfel încât tensiunea la capătul de recepție să se încadreze în 0,4V în cazul în care rezistența de balast are o valoare mare.

Figura 15. Principiul de funcționare a circuitului de cale

Figura 16. Model matematic pentru circuit de cale de curent continuu

TX – tensiunea la extremitatea de emisie;

RX – tensiunea la extremitatea de recepție;

RL/2 – rezistența longitudinală a șinelor de cale ferată (0.3-0.6 Ω/km);

RB – rezistența de balast;

LL/2 – inductanța longitudinală a șinelor de cale ferată (3-5 mH/km);

CO – capacitatea proprie dintre șine (50nF/km).

Pentru buna funcționare a circuitului nu se admite ca rezistența minimă de balast, în exploatare, să nu se încadreze sub valoarea de 1 Ω/km pentru traverse din beton armat și 1,5 Ω × km pentru traverse din lemn, iar între talpa șinei și balast să fie un spațiu liber de cel puțin 30mm.

Pentru calcularea rezistenței longitudinale a șinelor trebuie avut în vedere și rezistența cupoanelor de șină, rezistența ecliselor metalice, precum și a conexiunilor de conductibilitate.

Figura 17. Eclisă metalică prevazută cu conexiune de conductibilitate

Circuite de cale electronice

Majoritatea circuitelor de cale pe linie electrificată din infrastructura SNCFR sunt din generația tehnică a anilor 1965-1975, cu funcționare în regim de impulsuri ale tensiunii de 75Hz. Ele au fost preluate prin import din fosta URSS și au înlocuit circuitele de cale anterioare, cu semnal de control permanent; introducerea lor a fost impusă de trecerea la tracțiunea electrică, cu locomotivele alimentate prin catenară și șine, la tensiunea de 25kV, 50Hz, energia electrică fiind preluată din sistemul energetic național, al rețelelor trifazate de 110kV, prin substațiile de tracțiune proprii CFR, în regim monofazat.

Soluția tehnică a acelor ani s-a bazat pe generarea electromecanică a codurilor necesare pentru control, iar rezolvarea conflictului dintre condiția de secționare electrică a liniilor prin joantele izolante, necesară delimitării zonelor controlate ale secțiunilor izolate și condiția de continuitate electrică pentru sutele de amperi necesari motoarelor de tracțiune electrică sau sistemelor de climatizare a vagoanelor de călători a fost posibilă prin introducerea la perechile de joante izolante a unor transformatoare speciale, denumite bobine de joantă, care permit închiderea circuitului de retur de la roțile locomotivelor sau ale vagoanelor climatizate prin șine spre sursa de energie.

Ulterior, au fost asimilate în țară și fabricate masiv bobinele de joantă, filtrele de bandă necesare separării curenților de control de 75 Hz de cei ai perturbațiilor tracțiunii electrice, contactoarele statice – la SPIACT Craiova, releele de cale de tip neutru fișă, de mare siguranță funcțională și cele transmițătoare de impulsuri – la Electromagnetica București, prizele subansamblurilor, blocurile decodificatoare, ramele, dulapurile și cutiile din apropierea căii care adăpostesc restul aparatajului (transformatoare, rezistoare, siguranțe, reglete etc) – la ISAF București. Industria româneasca de profil electrotehnic nu a putut asimila emițătoarele de cod și releele de prag pentru recepția impulsurilor din cale, care s-au importat treptat, în funcție de necesar, până în anul 1989. Aceste circuite de cale, denumite cu două secvențe suprapuse produse de emițătorul de cod tip KPT-10, au și în prezent cea mai mare extindere pe liniile CFR (sunt peste 10.000 în funcțiune), deși sunt mari consumatoare de energie electrică, au zgomot ridicat în timpul funcționării și cauzează o uzură intensă a contactelor electrice, ceea ce implică o întreținere periodică cu costuri apreciabile.

În perioada anilor 1975-1985, au fost introduse circuitele de cale realizate la ICPTT București, care au utilizat un sistem de prelucrare statică a informației, cu circuite electronice de tip fail safe, structuri brevetate de OSIM București. Aceste circuite de cale au fost realizate în două variante tehnice. Prima variantă, denumită CN-75-6, era dedicată liniilor curente și liniilor directe ale stațiilor; s-au fabricat câteva mii de exemplare: emițătoare de cod, decodificatoare electronice, alimentatoare și relee electronice – la SPIACT Brașov. A doua variantă, denumită CS-24-6, a fost dedicată liniilor în abatere și macazurilor stațiilor; s-au fabricat câteva mii de exemplare: generatoare de cod, alimentatoare, receptoare din cale și receptoare de stație – la SPIACT Galați. Ambele variante constructive mențin în cale bobinele de joantă și releele neutre fișă, ca element final de furnizare a informației.

Echipamentele acestor circuite de cale, alimentate în 75Hz, au la bază circuitul logic ferită cu ciclu de histerezis dreptunghiular CHD și tiristor, care este elementul fundamental de prelucrare numerică a informației. Deoarece tiristoarele sunt din serii speciale de fabricație, cu curent de deschidere pe poartă atent selectat, iar feritele CHD au fost importate de la un unic producator vest-european, fabricația echipamentelor de serie relativ mică a întâmpinat dificultăți în aprovizionare. Apariția memoriilor electronice bazate pe microtehnologia siliciului a dus la declinul memoriilor magnetice, astfel că s-a decis abandonarea liniilor de producție a feritelor CHD și, ca urmare, s-a ajuns la imposibilitatea continuării producției de echipamente pentru circuite de cale la cei doi furnizori: SPIACT Brașov și SPIACT Galați.

După 1985, apariția circuitelor integrate de tip CMOS, cu plajă ridicată de imunitate la zgomot, viteză mare de comutare și funcționare garantată într-un domeniu mare de temperaturi, a permis prelucrarea informației pentru circuitele de cale alimentate în 75Hz, prin noua tehnologie a siliciului. În anul 1990, OSIM București a eliberat brevetul de invenție RO 10793: Metodă și instalație de control pentru circuite de cale cu impulsuri de curent alternativ, brevet ce a dus la realizarea circuitelor de cale tip C-4-64, care reprezintă în prezent o soluție universală pentru secțiunile izolate din stațiile și liniile curente ale CNCF CFR SA.

Circuite de cale pentru căi ferate subterane

Circuite de cale tip AF 300W (Wabco Westinghouse)

Caracteristici tehnice AF 300W

– lungimea circuitului de audiofrecvență [AF]: max 400m;

– lungimea circuitului suprapus de înaltă frecvență [CSIF]: 25÷100m;

– conductanța balastului: 0,05+1S/km;

– șunt: >0,25Ω;

– frecvența purtătoare [Fp] pentru detectarea prezenței trenului:

F1=1575Hz

F2=2375Hz

F3=3525Hz

F4=5325Hz

– frecvența purtătoare pentru repetarea semnalizării la bord: Fr = 975Hz;

– frecvența modulatoare (de codificare) [Fm] pentru detectarea prezenței trenului:

C1=11,2Hz;
C2= 16,2Hz

– frecvența modulatoare pentru repetarea semnalizării la bord: 48, 72, 123, 184, 275, 420 impulsuri/minut;

– releu de cale utilizat: NF1-2000 – tensiune de alimentare: 24Vcc;

– electroalimentarea echipamentului din sala de relee se realizeaza astfel:

a) oscilatori și generatori de cod: 24Vcc la cca 0,2A

b) partea de putere (preamplificator și amplificator de putere): 24Vcc la 3,4A maxim

c) receptori de stație 24Vcc la 0,06A

d) receptori de linie 220Vca ±10%

– minibond-ul utilizat pentru Tx și Rx :

a) curent în șină I= 2000A;

b) curent de dezechilibru Id = 200A;

c) impedanța la 1000Hz [ Z] = 0,09 Ω

d) rezistența în curent continuu R=0,00002Ω

– bobine captatoare (captatori) :

a) asigură un răspuns bun la șuntare (0,25 Ω în orice loc de pe calea de rulare);

b) fiabilitate de funcționare ridicată;

c) numărul reviziilor periodice preventive la echipament este minim;

d) lucrează în audiofrecvență și nu necesită joante în zona de schimb a circuitelor de linie.

Principiu de funcționare

Circuitul de cale lucrează în audiofrecvență și nu necesită joante izolante în zona de separare a circuitelor. Din sala de relee sunt trimise în calea de rulare două semnale de audiofrecvență:

– un semnal pentru detectarea prezenței trenurilor pe secțiunile succesive ale blocului cu ajutorul celor patru frecvențe purtătoare (F1±F4) modulat în amplitudine cu un semnal sinusoidal Cl sau C2 [circuit AF];

– un semnal de repetare la bord a indicațiilor semnalelor (975 Hz) modulat în amplitudine cu un semnal rectangular de 48, 72, 123, 184, 275, 420 imp/min (circuit CCV).

Pe calea de rulare mai este injectat și un semnal de înaltă frecvență de 20 kHz sau 27 kHz pe așa numitul circuit suprapus [CSIF].

Pentru înțelegerea principiului de funcționare se va urmari planșa alăturată care reprezintă schema de principiu a circuitului de cale. Vom urmari funcționarea circuitului 5-C. Semnalul de prezență tren emis de emițătorul E5 pe frecvența F2C2 este transmis în linie prin intermediul minibondului de la semnalul B7 și este recepționat de captatorii din dreptul semnalului B5. De la captatori, semnalul de frecvență F2C2 este transmis receptorului R5 care funcționează pe frecvența F2C2 și care atrage releul de cale AS numai în anumite condiții (tensiune de captatori și tensiune de acoperire de la circuitul 7C) la capătul de recepție al circuitului de audiofrecvență este folosit și un circuit suprapus de înaltă frecvență [CSIF] care are următoarele funcții:

– semnalul său de ieșire condiționează atragerea releului de cale R5 prin faptul că garantează un punct exact de ocupare (05-1,7m de la punctul de atac al minibondului);

– același semnal de ieșire condiționează emisia E3 a circuitului amonte realizând astfel un circuit suplimentar de lungime 80m, ceea ce dă garanția opririi unui tren ce depășește un semnal pe roșu (semnalul B3).

La ocuparea circuitului 5-C releul R5 cade și intră în funcție emisia CCV (E CCV) al circuitului 5-C care transmite în calea de rulare un semnal codificat al indicației semnalului B7.

Figura 23. Schema de principiu

Alegerea frecvențelor

Frecvențele utilizate pentru detectarea prezenței trenului și pentru repetarea la bord a informațiilor cu ajutorul circuitelor de cale tip AF 300W sunt alese astfel încât să se obțină o maximă separare față de frecvența curentă de tracțiune și armonicile sale de 50Hz, 300Hz, etc. Pe de altă parte, alegerea frecvențelor este optimizată luându-se în considerare influența armonicelor fiecărei frecvențe purtătoare asupra frecvenței adiacente.

Dacă succesiunea nu poate fi respectată, este necesar să se izoleze șinele cu cel puțin două perechi de joante izolante.

Circuitul de linie

Dacă șina de rulare prezintă continuitate din punct de vedere electric (nu are joante izolante), atunci se folosesc circuite de cale de linie.

Schema bloc a circuitului de cale de linie este cea prezentată în planșa alăturată.

Din sala pleacă emisia AF; acesta intră în minibond, de acolo în sing , apoi ajunge în cei doi captatori AF, apoi la cutia de recepție AF. Din cutia receptoare se emite semnalul de circuit suprapus.

Figura 24. Schema de principiu AF 300W

Circuitul de linie

Dacă șina de rulare prezintă joante izolante (în zona macazelor), se folosesc circuite de cale de stație, care în funcție de configurația geografică pot fi cu unul sau doi receptori.

Din sala de relee se trimite semnalul de audiofrecvență [AF] la minibondul de emisie, iar din acesta ajunge prin șinele de cale ferată la minibondul de receptiv [Rx].

De la minibondul de recepție, semnalul se întoarece în sala (recepția AF) la echipamentul de recepție (decodificator, filtru, alimentare releu).

1. Circuitul de cale de stație cu un receptor are în componență următoarele echipamente:

A) în sala de relee:

a) emițătorul AF pentru indicarea prezenței trenului – format din cinci module:

1) generator de cod;

2) oscilator modulator;

3) preamplificator;

4) amplificator de putere;

5) unitate de cuplaj.

b) emițătorul CCV pentru repetarea la bord a semnalului format din șase module:

1) două generatoare de cod;

2) oscilator modulator;

3) preamplificator;

4) amplificator de putere;

5) unitate de cuplaj;

6) un releu de cale.

B) pe teren:

– doi minibonzi (Tx si Rx).

2. Circuitul de cale de stație cu doi receptori se compune din:

A) în sala de relee:

a) emițătorul AF pentru indicarea prezenței trenului – format din cinci module:

1) generator de cod;

2) oscilator modulator;

3) preamplificator;

4) amplificator de putere;

5) unitate de cuplaj.

emițătorul CCV pentru repetarea la bord a semnalului format din șase module:

1) generatoare de cod;

2) oscilator modulator;

3) preamplificator;

4) amplificator de putere;

5) unitate de cuplaj;

6) un releu de cale.

Figura 25. Schema de principiu

c) doi receptori de stație (formați fiecare din câte un filtru, un decodificator și un alimentator);

– doua relee de cale;

B) Echipamentul de pe teren constă în trei minibonzi, unul pentru emisie și doi pentru recepție.

Acest circuit nu necesită CSIF pentru că este strict delimitat de joante izolante, iar emisiile AF și CCV nu sunt condiționate de informația de acoperire (nu sunt fotorezistente pe preamplificatoare).

Emisia pentru repetare la bord a semnalizării este condiționată de existența informației de punere în funcție a instalației de repetare la bord (dată prin căderea releului de cale a secțiunii respective și prin atragerea unui releu de începere a codificării). Selectarea codului se face în funcție de indicația semnalului următor în sensul de mers, prin emiterea în linie a uneia din cele șase coduri date de codificator.

Descrierea aparaturii pentru Tx și Rx

Echipament de emisie

Atât pentru partea de emisie a frecvenței purtătoare pentru detectarea prezenței trenului (AF), cât și pentru partea de emisie a frecvenței purtătoare pentru repetarea la bord a semnalizării (CCV), se folosesc următoarele elemente de bază:

a) Generator de coduri

– generator de coduri de 11,2 Hz și 16,2 Hz pentru modularea frecvenței purtătoare;

– generator de coduri de 48, 72. 123, 184, 276, 420, impulsuri/minut pentru modularea frecvenței purtătoare Fr.

b) Oscilator-modulator

Este circuitul care realizează generarea frecvenței purtătoare (o configurație particulară a circuituiui permite obținerea unei modulații în amplitudine a frecvenței purtătoare, cu fronturi de creștere și descreștere mult rotunjite, pentru a se evita problema armonicelor).

Pentru circuitul de audiofrecvență sunt generate următoarele frecvențe specifice [AF]:

F1=1575 Hz;

F2=2375 Hz;

F3=3525 Hz;

F4=5325 Hz;

Pentru CCV: F=975 Hz;

Preamplificator

Este compus din cinci etaje de amplificare având după primul etaj o legătura de reacție care permite reglarea semnalului de ieșire și prin aceasta reglarea puterii cerute de circuitul de cale. Pe același circuit imprimat este realizată unitatea de izolare care are rolul de blocare a intrării preamplificatorului pe timpul cât circuitul suprapus de înaltă frecvență este ocupat.

Amplificator de putere – asigură mărirea semnalului furnizat de preamplificator

e) Unitatea de cuplaj

Are rolul de adaptare și acordare pe puterea maximă a blocului de emisie cu cablurile și transformatorul minibond la frecvențele purtătoare și de a evita influențele reciproce ale amplificatoarelor de putere. Ea este prevazută cu un comutator cu zece poziții pentru compensarea capacității cablului de legatură între emisie și minibond, funcție de lungimea cablului).

Echipament de recepție

Receptorul de audiofrecvență [ AF]:

– are rol de selecție și decodificare a semnalul furnizat de minibondul de recepție, pentru funcția de detectare a prezenței trenului.

– are în componență un filtru, decodificator și alimentator.

Circuitul suprapus de înaltă frecvență [CSIF]

– micșorează intervalul de urmărire dintre două trenuri la mai puțin de doua sectoare de bloc;

– se utilizează pentru obținerea unui punct fix în ceea ce privește ocuparea circuitului de cale, precum și pentru obținerea informației de acoperire;

– printr-un dispozitiv (detector de nivel), semnalul de ieșire din blocul CSIF condiționează ieșirea blocului de recepție AF, precum și emisia pentru circuitul de cale din spate, cu ajutorul informației de acoperire;

– circuitul suprapus are rolul de ocupare sigură a secțiunii și de a menține ocupată secțiunea precedentă până când se depășește recepția suprapusă.

3.Valorile tipice pentru șuntul AF și CSIF sunt:

șunt pentru CSIF la emisie la 30 de cm de funie:

– reglaj: R=0,025 Ω (suprapus liber);

– R=0,01 Ω (suprapus ocupat).

b) șunt pentru AF la emisie și recepție la 3m de funie:

– reglaj: R>0,25Ω

– emisia AF este condiționată de existența informației de acoperire dată de receptorul suprapus (dacă CSIF este liber).

Circuite de cale tip Bombardier TI-21M

Descriere și funcționare

TI 21-M este un circuit de cale în audiofrecvență fără joante, proiectat să lucreze în zone electrificate cu un nivel ridicat al perturbațiilor (constând în principal în armonici ale frecvenței de 50 Hz.)

TI 21-M întrunește condițiile de funcționare pentru utilizarea pe liniile de cale ferată de la metrou, prin delimitarea strictă a extremităților circuitului de cale (fără zonă „moartă” și cu suprapunere minimă a zonei de detecție a trenului la joantele de separare). Individual, circuitele de cale pot avea între 50m și 350m, fiecăruia dintre ele fiindu-le asociat un emițător și un receptor amplasate la cel mult 2km distanță în sălile de relee (cu echipamente de centralizare). Singurele echipamente care trebuie să fie montate în cale sunt cele pentru cuplare la linia respectivă și care utilizează numai componente pasive.

Pe lângă funcția sa de bază, de detecție sigură a trenului, circuitul de cale tip TI 21-M, a cărui schemă este “fail-safe”, poate fi utilizat pentru transmiterea de date la bordul trenului care ocupă secțiunea aferentă.

Figura 26. Emițător TI21-M cu funcție de detecție tren și transmisie date

Atunci când emițătorul identifică prin sistemul de centralizare (interlocking) absența datelor cale-tren, el generează pentru detecția trenului un semnal modulat cu frecvența de 20 Hz. Absența datelor este considerată după minim 200ms fără tranziții de nivel.

Deoarece pentru transmisia datelor din cale pe tren este necesar ca trenul să circule în sensul de la recepția spre emisia (emițător) circuitului de cale și cum trenurile pot circula în ambele direcții, trebuie să fie prevăzută posibilitatea comutării extremităților de emisie și de recepție ale circuitului de cale. Acest lucru se realizează prin contactele unui releu, controlat de sistemul interlocking.

Corespunzător celor două funcții menționate anterior, circuitul de cale TI 21-M are următoarele două moduri de funcționare:

“Modul detecție”, pentru funcția de bază, de detecție sigură a trenului;

“Modul cod”, pentru funcția de transmitere a datelor ATP pe tren. Pentru a satisface cerințele ambelor moduri de funcționare, circuitul de cale operează în domeniul de frecvență 5,6… 8,6 KHz, semnalul (Fp egală cu una din frecvențele F1…F8) fiind modulat (cu deviație de frecvență: ± 100Hz) cu o frecvență modulatoare fm de 20Hz în “modul detecție” și de

100Hz în “modul cod” (corespunzător unei viteze de transmisie a informației de 200Baud).

Figura 27. Semnal modulator și semnal purtătorTX –TI21M

Considerând, de exemplu, un circuit de cale pe frecvența F1 (Fp = 6100Hz), semnalul modulat are forma din figura 27 (modul detecție si modul cod). În stare normală, circuitul de cale funcționează în “modul detecție”, emițătorul TX generând semnalul modulat cu frecvența de 20Hz pentru detecția trenului. După ocuparea sa de către tren și căderea releului de cale (TR), sistemul interlocking deconectează de la “linie” receptorul circuitului de cale și transmite datele cale-tren (biții telegramelor) la intrarea serială a emițătorului TX, care, în 10ms de la sesizarea prezenței acestora, trece în “modul cod” și generează semnalul modulat cu frecvența de 100Hz.

Figura 28. Echipament complet pentru un circuit de linie TI-21M

La ocuparea următoarei secțiuni (adiacente, în sensul de mers), sistemul interlocking întrerupe transmiterea datelor la intrarea serială a emițătorului și reconectează receptorul circuitului de cale. Într-un interval de timp cuprins între 200…500ms, emițătorul, sesizând absența datelor la intrarea sa serială (de la sistemul interlocking), revine în “modul detecție” și, dacă circuitul de cale este liber, releul de cale TR se reatrage.

Figura 29. Configurație tipică TI21-M

Figura 30. Alternarea frecvențelor

Date tehnice TI21-M

– Cerințe pentru sistemul de alimentare: 24V c.c.(nominal) +10%- 5% cu pulsație de maximum 1,5V vârf-vârf;

– Ecartementul căii de rulare: 1435mm;

– Tipul de șină (pentru alte tipuri de șine se va contacta Bombardier): 49, 56, 60 kg/m;

– Conductanța balastului: maxim 0.25 S/km, minim 0S/km;

– Șuntul trenului: minim 0.3 Ω (în afara zonei de acord), minim 0.15 Ω (în interiorul zonei de acord);

– Plaja de temperatură: La nivel de cale de rulare: -20°C – +55°C

Sala de echipamente: 0°C- +40°C

Punere in functie: +10°C – +35°C

– Determinarea extremităților circuitului (detecția șuntului dincolo de centrul joantei de separare electrice): 1m ± 0.25m;

– Lungimea joantei de separare: 5m ± 15mm;

– Cablul Z-bond: 100mm, cupru;

– Distanța de alimentare:

TU/CU la TX MU sau

RX MU sau TX MU la LFU: 20m până la 2000m.

– Releu: releu neutru standard din seria BR 930 sau echivalent. Tensiunea de operare nominală

este de 50Vc.c;

– Tensiunea de alimentare a circuitului de cale: 1.6 – 9.5V (depinzând de frecvență, lungimea circuitului de cale și de balast).

Date tehnice echipament emisie și recepție

a. Echipament de emisie

– Consum de curent: maxim 10A peste valoarea maximă de alimentare;

– Puterea la ieșire: 200W(maxim);

– Intervalul de valori pentru tensiunea de ieșire: 47V+5%/-10%;

– Modul “detecție tren” : 20Hz

– Modul de date cale-tren: 1982Baud

– Dimensiunile unității: 165.4mm(H)x 169mm(W)x 211.3mm (D)

(exceptând conectorul și centura de împământare).

– Montarea: fixare prin șuruburi aranjate ca la centralele de relee standard BRB;

– Greutate: 5.1kg.

b. echipament de receptie

– Consum de curent: maxim 0.5A la nivelul maxim al alimentării și energizării releului;

– Sensibilitatea maximă la intrare: 8.1 mA input;

– Variația sensibilității la intrare: ±5% din reglaj;

– Domeniul dinamic de variație al semnalului de intrare: 3.5:1;

– Ieșirea releului: 40V-60V (adecvat pentru acționarea releelor din seria 930 BRB);

– Timpul de întârziere la operare a receptorului circuitului de cale, adică timpul de întârziere la atragere a releului circuitului de cale după primirea semnalului de la circuitul de cale 1s0.25s;

– Timpul de cădere al releului circuitului de cale în absența semnalului maxim 50ms;

– Dimensiunile unității: 165.4mm(H)x 153.8mm(W)x 211.3mm (D)

(exceptând conectorul);

– Montarea: fixare prin șuruburi aranjate ca la centralele de relee standard BRB;

– Greutate: 3.7kg.

Circuite de cale tip Dimetronic FS 2550

Descriere și funcționare

Circuitul de cale de linie FS 2550 este un circuit de cale cu modulare în frecvență de tip 5k (atât Tx, cât și Rx utilizează frecvențe purtătoare între 4080Hz și 6000Hz).

Frecvența purtătoare este folosită pentru detectarea prezenței trenului, iar frecvența modulatoare determină frecvența cu care poate circula trenul (există 14 frecvențe modulatoare). Circuitele de cale sunt alimentate cu un semnal compus dintr-o frecvență purtătoare și una modulatoare (numite coduri de cale). Acest semnal se utilizează atât în instalațiile CED, pentru detectarea prezenței trenurilor, cît și pentru codurile de viteză ATP.

Figura 31. Schema simplificată circuit de cale fără joante

Echipamentul WESTRACE situat în sala de echipamente SCB selectează, conform condițiilor de siguranță, acele coduri de viteză ce trebuie transmise pentru fiecare circuit de cale. Cardurile TCOM sunt destinate transmiterii acestor coduri pentru modulare în Emițătoarele ATP.

Semnalul de ieșire din emițător este un semnal purtător, stabilit anterior, modulat în frecvență cu un semnal de cod selectat.

Acest semnal se transmite în șină prin intermediul Unității de Sintonie (TU) conectată la extremitatea circuitului de cale. Semnalul din șină este recepționat de o a doua Unitate de Sintonie, conectată la celălalt capăt al circuitului de cale și transmis către Receptor.

Receptorul demodulează semnalul purtător pentru obținerea unui semnal codificat. Dacă totul este corect, se activează semnalul de circuit de cale liber ce se transmite către WESTRACE. In acest fel se cunoaște poziția trenurilor în cale.

O modulatoare este asignată ocupării circuitului de cale, și semnalul său este denumit codul circuitului. Toate celelalte modulatoare se asignează vitezelor ATP utilizate în sistem. Fiecare semnal modulator reprezintă un cod de viteză ATP. Fiecare cod este format din viteza maximă de siguranță (V.M.S.) și viteza obiectiv (V.O.) ceea ce permite selectarea condițiilor necesare pentru circulația în depline condiții de siguranță a trenului pe un circuit de cale determinat.

Când trenul ocupă circuitul de cale respectiv, primește semnal ATP prin intermediul echipamentului de tren și, prin acesta, informații asupra vitezei maxime de siguranță, precum și viteza obiectiv ce trebuie atinsă înainte de părăsirea circuitului de cale. Roțile și osia trenului scurtcircuitează șinile. Prin aceasta, Receptorul nu mai primește semnalul ATP, astfel încât intrarea în WESTRACE se dezexcită și circuitul de cale se consideră ocupat.

Când trenul părăsește circuitul, WESTRACE modifică viteza ATP transmisă și receptorul primește din nou semnalul ce indică starea de liber a circuitului de cale.

Utilizarea șinelor pentru transmiterea semnalelor ATP face inutilă utilizarea de bucle de cablu în lungul șinelor. Singurele bucle de cablu necesare sistemului Westinghouse Signals sunt relativ scurte și sunt situate numai în spațiul macazurilor, unde este dificilă, din cauze fizice și de construcția schimbătorului de cale, direcționarea fluxurilor de curent în șine.

Figura 32. Bucla ATP în zona macazurilor

Circuitul de cale de linie FS 2550 se compune din următoarele echipamente:

a. În sala de echipamente SCB:

– 1 emițător Tx;

– 1 receptor Rx;

– prize de Tx și Rx;

– unitatea de atenuare;

– unitatea șoc de linie.

b. Pe teren:

– 2 unități de sintonie (pentru emisie și recepție);

– 2 funii scurtcircuitoare (la extremitățile circuitului).

Fiecare emițător generează un semnal purtător modulat ce se injectează în cale la un capăt al circuitului de cale pentru asigurarea unui semnal de circuit de cale liber la capătul de recepție.

Sunt 7 variante de Tx tip 5k ce posedă frecvențe purtătoare care se pot modula atât intern, cât și extern, a opta variantă disponibilă putând fi modulată numai extern. La Metrorex se folosește modularea externă, cele 14 frecvențe modulatoare fiind generate de carduri TCOM din instalația Westrace.

Figura 33. Frecvențele purtătoare pentru circuitul 5K

Canalul L se utilizează exclusiv pentru Protecția Automată a Trenului (ATP) în zona Macazurilor, nu există Rx pentru canalul L.

Sunt disponibile 16 variante de Tx 2k, care posedă 4 frecvențe purtătoare și 4 frecvențe de modulare. Tx se modulează numai intern. Canalele se identifică prin ambele identificatoare de frecvență purtătoare și de modulare, de exemplu, canal 2P, canal 4R, etc. Frecvențele purtătoare și de modulare se prezintă în tabelul 1.

Tabel 1. Frecvențe purtătoare și modulatoare 2k

Receptorul are funcția de a asigura o serie de verificări ale semnalului de intrare ce se primește din cale. Dacă recepționează un semnal corect, Rx asigură o ieșire ce se utilizează pentru a acționa asupra Westrace. La intrarea unui tren pe circuitul de cale, semnalul de Tx este șuntat de osiile trenului și Rx nu mai poate capta un semnal util. În acest caz, ieșirea se blochează și nu mai transmite către Westrace semnalul de linie liberă. Receptoarele 5k sunt specifice frecvențelor purtătoare, însă nu sunt specifice frecvențelor modulatoare.

Semnalul de ieșire din Rx este de 50V și este livrat unui card VPIM din Westrace.

Unitatea de sintonie realizează 3 funcții principale:

– asigură sistemul de conectare a Tx și Rx la șine;

– face parte din Zona Terminală (ZT);

– împreună cu șinele din ZT, acționează ca un filtru trece bandă selectiv, eliminând armonicile nedorite ale semnalului Tx.

Circuitele de cale de linie FS 2550 sunt reversibile (se poate schimba Tx cu Rx prin intermediul unor contacte de relee inversoare). La inversarea Tx cu Rx, circuitul de cale nu se ocupă deoarece temporizarea releelor este de 2 secunde.

Figura 34. Echipamente de exterior specifice FS2550

Figura 35. Rama circuite FS2550 Figura 36. Carduri pentru generarea telegramelor

Tabel 2. Parametri circuite de cale

2.2 SISTEME DE DETECTARE A TRENURILOR BAZATE PE NUMĂRĂTOARE DE OSII

Generalitati

Numaratorul de osii este un element de siguranta feroviara care poate prelua functia circuitului de cale,referitoare la sesizarea prezentei materialului rulant pe o anumita portiune de cale ferata ,fara sa utilizeze joante izolante.Principiul de functionare este relativ simplu si urmareste numararea osiilor care intra pe o anumita sectiune de cale ferata ,dar si a celor care ies din zona controlata ,compararea numaratorii,iar in caz de coincidenta a datelor de intrare cu cele de iesire ,portiunea de linie se considera libera.

Tipuri constructive

Numaratorul de osii Alcatel Zp30CA

Numaratorul de osii tip Zp30 CA furnizat de catre firma Alcatel SEL utilizeaza in calea de rulare sesizoare de tip SK 30 si o unitate centrala tip EAK 30CA.

Sesizorul SK30 ,prezentat in figura XXX are in componenta doua sesizoare Sk1 si Sk2 ,ambele instalate pe acelasi fir al caii.

Fiecare ansamblu Sk se compune ,la randul sau din doua structuri:

-emitator TX instalat in exteriorul sinei ;

-receptor RX instalat in interiorul sinei,in opozitie cu TX;

Fig.Vedere de ansamblu a sesizorului Sk 30CA

Figura .Montajul in teren al sesizorului Sk 30CA

Utilizare celor doua structuri Sk1 si Sk2 are motivatia discriminarii de sens,asigurand doua semnale echilibrate de frecventa diferita cu ajutorul carora,la trecerea rotii vehiculului feroviar ,este determinate directia de numarare.

Figura. Schema bloc a sistemului

Bobinele de emisie TX sunt alimentate cu semnale diferite (29kHz si 30kHz) iar campurile magnetice rezultate cupleaza,in jurul sinei ,cu bobinele de receptie Rx inducand in acestea o anumita tensiune.Dispunerea bobinelor asigura producerea unei deviatii a fezei tensiunii induse.Unitatea centrala EAK 30CA sesizeaza deviatia fazei si o interpreteaza ca prezenta a unei roti.

In cele ce urmeaza sunt prezentate formele fluxurilor electromagnetice in cele trei situatii caracteristice:

a.Daca roata vehiculului feroviar este la o distanta mai mare de 200mm fata de linia centrala imaginara a contactului dintre sina si roata,atunci liniile fluxului electromagnetic intalnesc perpendicular pe bobina receptoare sub un anumit unghi α,iar tensiunea alternative receptionata (indusa) este sincrona (in faza) cu semnalul emis.

Figura. Figura.

b.Daca bandajul rotii este la o distanta de sub 200mm fata de linia centrala imaginara a contactului dintre sina si roata,atunci liniile fluxului electromagnetic intalnesc perpendicular ape bobina receptoare aproape paralel,iar tensiunea alternative receptionata este zero,roata fiind detectata.

c.Daca roata este localizata chiar pe linia centrala imaginara a contactului dintre sina si roata liniile fluxului electromagnetic intalnesc perpendicular ape bobina receptoare sub un unghi α ,iar tensiunea alternative receptionata (indusa) este defazata cu 180ș fata de tensiunea de emisie.

Figura. Diagrama de semnale in punctele analizate

Arhitectura sistemului Alcatel Zp30CA

Arhitectura de baza are in componenta doua elemente principale:

1.Subsistem de prelucrare a informatiilor bazat pe calculatorul SIMIS 3216;

2.Subsistemul pentru sesizarea materialului rulant.

Figura. Schema bloc

IIC/OMC –computer coordonator;

ECC-computer control elemente ;

BUREP –interfata intre elemente;

IL Bus –magistral de date interlocking;

ACC- computer zonal;

AzSM(E) –numarator de osii;

Numaratorul de osii THALES Az LM 6315

Arhitectura sistemului

Sistemul THALES Az LM 6315 are in componenta urmatoarele elemente principale:

1.Echipament exterior pentru detectia trenului (Zp30h) ;

2.Evaluator (ACE) –computer vital cu interfata seriala/paralela de I/O;

3.Interfata ISDN pentru transmisie date si electroalimentarea ACE si Zp30h;

4.Conexiuni Ethernet catre N-ACE

Figura . Schema bloc numarator de osii tip THALES Az LM 6315

Sistemul indeplineste standardul de siguranta CENELEC EN 50129 fiind incadrat in clasa SIL4 .Siguranta in functionare a sistemului este asigurata de urmatoarele elemente:

-canale de comunicatie independente;

-autotestari online ale echipamentului;

-negarea sistemului (trecerea intr-o stare sigura cunoscuta in cazul aparitiei unei erori);

-monitorizare vitala a echipamentul exterior;

-monitorizare vitala a comunicatiilor de date;

-utilizarea de protocoale codificate ;

-proceduri de verificare si validare conform standardelor EN 50129 si EN 50128;

Durata de viata a unui system Az LM este de aproximativ 20 de ani iar viteza de lucru suportata este de 380km/h (optional 440km/h)

Logica de numarare

ACE evalueaza diferenta dintre numarul de valori receptionate de la punctele de detectie.

Figuraxxxx. Aranjament tipic pentru numaratoarea osiilor

Punctele de detectie sesizeaza directia osiilor si numarul acestora si transmite datele catre ACE.Cu aceasta informatie ,logica aferenta ACE stabileste daca sectiunea este libera sau ocupata.Informatia referitoare la starea sectiunii este transmisa mai departe catre instalatia de centralizare electronica.

Osiile sunt numarate dupa urmatorul principiu:

in interiorul(la intrare) sectiunii 1 din figura xxxx cand un vehicul feroviar depaseste Zp1 in directia sagetii sau Zp2 in directia opusa sagetii;

in exteriorul (la iesire) sectiunii cand un vehicul depaseste Zp1 in directia opusa sagetii sau cand depaseste Zp2 in directia sagetii.

Configurarea sectiunilor

Un punct pentru detectia materialului rulant este pozitionat la fiecare capat al sectiunii iar la zona de granita dintre doua sectiuni exista un punct comun de detectie care este utilizat e ambele sectiuni.

Figura .Amplasarea punctelor de detectie

Figura.Schema bloc pentru numaratorul de osii Az LM

Echipament exterior pentru detectia trenului (Zp30h) ;

Acest echipament consta are in componenta urmatoarele elemente :

-cutie electronica de joctiune tip EAK30H;

-sesizor de cale tip Sk30H ;

Principalele caracteristici ale sesizorului de cale tip Zp30H sunt:

-poate fi montat pe orice tip de sina de cale ferata( este ajustabil);

-detecteaza majoritatea tipurilor de osii;

-prezinta imunitate la returul curentului de tractiune (atat in cc dar si in ca) dar si la interferentele armonicilor;

-imunitate la efectele magnetice datorate franarilor materialului rulant;

Figura. Sesizor de cale tip Sk30H

Cutie electronica de joctiune tip EAK30H contine circuitele electronice pentru detectia materialului rulant ,numararea osiilor si transmiterea de telegrame codificate catre ACE.

Procesul de numarare ,supervizare si generare a telegramelor sunt executate de catre doua microcontrolere independente care sunt controlate de catre un modul vital din cadrul ACE.

Electroalimentarea cutiei de jonctiune se realizeaza din sala de echipament (interlocking) pe aceleasi fire utilizate pentru transmisia datelor catre ACE.

Sursa de alimentare pentru Zp30H este de tip UPS cu tensiune nominala 60-120Vcc .

Figura.Sesizor de cale montat in zona cu tractiune in curent continuu

Echipament interior

Evaluator ACE –are in componenta urmatoare elemente:

– modul vital de prelucrare a informatiei;

Functioneaza pe principiul 2 din 3 dar poate fi implementat si un sistem mai ieftin fara redundanta dar cu acelasi standard de siguranta, tip 2 din 2. Procesarea vitala prin comparare software este realizata prin schimb de mesaje intre calculatoare.Dupa schimbul de mesaje toate calculatoarele executa procedura de votare pentru a determina faptul toate au acelasi raspuns.Acest mecanism de votare permite sincronizarea calculatoarelor iar pentru reducerea erorilor se executa testari in background pentru RAM,ROM si CPU.

Pentru versiunea cu prelucrare 2 din 3 ,pierderea comunicatiei cu un calculator permite functionarea in continuare in configuratie 2 din 2 .

– sursa de electroalimentare (fiecare CPU are un convertor DC/DC 5V si 12V);

– porturi de intrare/iesire seriala;

– porturi de intrare/iesire paralela;

Figura .Configuratie tipica 2 din 2

Figura .Configuratie tipica 2 din 3

Figura. Arhitectura tipica

Numaratorul de osii BCA 2oo2

Arhitectura sistemului

Este realizata pe baza principiului 2 din 2 si indeplineste standardele de siguranta feroviara impusa de nivelul SIL4.Principalele elemente constructive specifice BCA 2oo2 sunt :

a)Detector PCA si cutie echipament electronic (CE-PED) instalate pe teren langa sina;

Figura.Detector PCA si CE-PED

Detectorul PCA este reprezentat de doi senzori electromagnetici instalati pe sina si care sunt sensibili la trecerea rotilor metalice ale vehiculelelor feroviare.

Senzorii functioneaza pe doua circuite magnetice diferite la frecvente de 47 si 53kHz iar montarea lor pe sina se realizeaza fara a fi necesare gauri in sina.De asemenea , detectorul PCA beneficiaza de protectie IP67 iar programarea lucrarilor de mentenanta se face anual .

Cutia CE-PED este realizata din aluminiu si rezista la temperature cuprinse intre -25ș – + 75ș iar conexiunea cu echipamentul pentru prelucrarea datelor ,aflat in sala cu echipament, se executa cu ajutorul a doua cabluri,unul de fibra optica pentru transmisia datelor si unul de cupru, pentru electrolimentare.

Figura. Cutia CE-PED Figura.CE-BCA

b)Echipament pentru prelucrarea datelor CE-BCA 2oo2

.

Echipamentul specific CE-PED stabileste starea sectiunii si transmite aceasta informatie prin intermediul unei conexiuni de fibra optica la CE-BCA .Starea sectiunii este validata de catre doua calculatoare care care pot gestiona maxim 8 detectoare PCA .

Figura.Configuratie tipica BCA 2oo2

Figura. Arhitectura hardware a sistemului BCA2oo2

Bibliografie

[1] The invention of track circuit

http://www.repressedpublishing.com/the-invention-of-the-track-circuit-the-history-of-dr-william-robinson-s-invention-of-the-track-circuit-the-fundamental-unit-which-made-possible-our-present-automatic-block-signaling-and-interlocking-systems.html

[2]Fisa tehnica pentru circuitele tip FS2550

http://www.docstoc.com/docs/document-preview.aspx?doc_id=28554261

[3] Descrierea si functionarea ansamblului de circuite FS2550 – Documentatie interna Metrorex;

[4] Nivel de siguranta SIL

https://archive.org/stream/bds.en.50129.2003#page/n55/mode/2up

[5] Standardul IP 67

http://aceeca.com/handhelds/ip67

[6] Numarator de osii tip Ducati energia BCA2oo2

http://www.ducatienergia.it/media/products/140218-1528-de-axlel-counter-short-eng-1b.pdf

[7] Descriere si functionare CS-24-6 –Documentatie interna Metrorex

[8]Circuite de cale WESTINGHOUSE AF300W –Documentatie interna Metrorex;

http://www.rgsonline.co.uk/Railway_Group_Standards/Control%20Command%20and%20Signalling/Codes%20of%20Practice/GKRC0760%20Iss%201.pdf

[9] Circuitul de cale TI21-M – Documentatie interna Metrorex;

[10] Ansamblul de circuite de cale tip Bombardier TI21-M – Documentatie interna Metrorex;

[11]Instructia 351M-Documentatie interna Metroex

[12] Regulamentul de investigare a accidentelor si incidentelor,de dezvoltare si imbunatatire a sigurantei feroviare pe caile ferate si pe reteaua de transport cu metroul din Romania –Documentatie interna Metrorex

[13] Instrucțiuni pentru întreținerea și repararea instalațiilor de semnalizare, centralizare și interblocare.-Documentatie interna Metrorex

[14]Numaratoare de osii tip Frauscher: Future Signalling FAdC https://www.youtube.com/watch?v=JXWSPDITygg

[15] Montajul numaratoarelor de osii tip SIEMENS si THALES,

https://www.youtube.com/watch?v=z425D1k_y-k

[16] Reglementari interne CFR privind interventia la un deranjament considerat ca sina rupta http://ro.scribd.com/doc/248641987/Reglementari-sina-RUPTA#scribd

[17] Brevet de inventie pentru circuitele de cale C4-64

http://pub.osim.ro/publication-server/pdf-document?PN=RO128873%20RO%20128873&iDocId=4681&iepatch=.pdf