Centralizări Electronice Automate

UNIVERSITATEA POLITEHNICA din BUCUREȘTI

Facultatea Transporturi

Departament Telecomenzi și Electronică în Transporturi

CENTRALIZĂRI ELECTRONICE AUTOMATE

Coordonator: S.L. Dr. Ing. Surugiu Claudia

Absolvent: TOMA GHE. G. EDUARD VALENTIN

Introducere (Stadiul actual al instalaților de centralizare)

Instalații de centralizare electrodinamică cu relee

Instalațiile de dirijare a miscarii vehiculelor feroviare se impart astfel:

instalații de dirijare a circulatiei în statii;

instalații de dirijare a circulatiei în linie curenta;

instalații de dirijare a circulatiei la trecerile la nivel;

instalații de dirijare a circulatiei pe sectii de circulatie ;

instalații pentru controlul automat al vitezei.

Exista mai multe variante constructive ale acestor instalațiilor de asigurare cu chei, fara bloc:

cu tablouri de chei, cu agatare.

cu tablou mechanic de chei.

Instalații de asigurare cu chei și bloc:

instalații de centralizare a macazurilor și semnalelor:

instalații de centralizare electromecanica(CEM);

instalații de centralizare electrodinamica (CED) care este în doua variante constructive cu relee și computerizata.

Instalații de dirijare în linie curenta sunt reprezentate de:

sistemul întelegerii telefonice;

sistemul de bloc de linie semiautomat (BLSA);

blocul de linie automat (BLA).

Instalații de dirijare a circulatiei la trecerile la nivel sunt reprezentate de :

instalații pentru semnalizarea automata a trecerilor la nivel (SAT);

instalații de bariera automata (BAT).

Instalația dispecer exista în doua variante constructive:

cu relee și tranzistoare;

cu calculator.

Instalația pentru controlul automat al vitezei trenurilor se clasifica in:

instalații pentru controlul punctual al vitezei;

instalații pentru controlul continuu al vitezei trenurilor.

Instalații pentru dirijarea circulației în stații

Instalațiile pentru asigurarea poziției macazurilor și a semnalelor se caracterizează prin faptul că aceste obiecte se realizează individual, la fața locului, prin forța manuală a manevrantului (acarului).

În varianta instalațiilor de asigurare cu tablouri de chei, cu agațare, de la fiecare macaz se obține o cheie, când impiegatul de mișcare constată prezența pe tabloul de chei a cheilor de control ale tuturor macazurilor din parcurs, poate comanda punerea pe liber a semnalului care autorizează parcursul. Semnalul mecanic (semafor) este acționat tot local, de catre acar, prin intermediul unei pârghii.

În varianta instalațiilor de asigurare cu tablou mecanic de chei, se obține o singura cheie de control asupra acționării tuturor macazurilor de parcurs comandat. Dupa introducerea ei în tabloul mecanic de chei, va fi permisă punerea pe liber a semaforului care autorizeaza parcursul.

Instalația de centralizare eletromecanică (CEM) se caracterizează prin faptul că, în fiecare capăt de stație există câte un post de centralizare a macazurilor și semnalelor. Macazurile și semnalele cuprinse în parcursul comandat sunt acționate individual, prin rotirea pârghiilor de macaz (respectiv semnal), situate în postul respectiv de centralizare. Forța manuală a manevrantului este transmisă, printr-o transmisie flexibilă din cabluri de oțel, până la macazul sau semnalul care trebuie acționat. Pârghiile mecanice sunt înzăvorâte electric de la un post central al impiegatului de mișcare, asigurându-se astfel o siguranța sporită a circulației.

Instalația de centralizare electrodinamica (CED) se caracterizează prin faptul că acționarea macazurilor și semnalelor se face electrodinamic. Acționarea unui macaz se produce ca urmare a validării alimentării motorului electromecanismului de macaz, iar acționarea unui semnal se face prin validarea alimentării becului cu incadescență aferent fiecarei indicații luminoase în parte.

În prezent, pe rețeaua SNCFR se folosesc instalații de centralizare electrodinamică cu relee, întrucat releul electromagnetic poate fi construit astfel încat să aibă o comportare asimetrică la defecte. În cazul apariției unui defect se desfac contactele de lucru ale releului, prin intermediul cărora se introduce informații permisive în instalația CED și se stabilesc contactele de repaus, asociate indicației restrictive. Prin urmare, orice defect conduce la indicația restrictivă a releului respectiv, producând oprirea mișcării vehiculului feroviar, atunci când este necesar.

Instalațiile de centralizare electrodinamica tip CR-2 (cu comada individuală a macazurilor de parcurs) și CR-38 (cu comandă de parcurs) au cea mai mare răspandire, în prezent, pe rețeaua SNCFR.

Instalația CED cu comandă individuală a macazurilor CR-2

Instalația CED tip CR-2 este numită instalație cu comandă individuală a macazurilor din parcurs. Prin urmare, principala ei caracteristică o constituie modul de dare a comenzilor de acționare a macazurilor.

Impiegatul de mișcare (IDM), prin acționarea manetelor și/sau a butoanelor de pe aparatul de comandă, dă comanda de parcurs în doua etape:

prima etapă constă în comanda individuală de manevrare a tuturor macazurilor de parcurs (prin rotirea manetei de macaz și acționarea butonului interior sau prin acționarea butonului de plus-BP, sau a butonului de minus-BM asociat fiecărui macaz);

a doua etapă este reprezentată de comanda de poziționare a semnalului pe liber (prin acționarea butonului de semnal, amplasat pe pupitrul de comandă).

Prin urmare, aparatul de comandă are atât rol de comandă, cât și rol de control. El oferă indicații optice și acustice asupra stării liniilor, macazurilor și semnalelor, asupra efectuării parcursului sau asupra stărilor de avarie existente la anumite elemente ale instalației CED. Din acest motiv, aparatul de comandă poate fi considerat ca fiind format din pupitrul de comandă și luminoschemă.

Instalația CED cu comandă automata a macazurilor CR-3

În stațiile cu activitate importantă de circulație și manevră, acționarea individuală a macazurilor și semnalelor devine un factor limitativ pentru efectuarea în cel mai scurt timp și în bune condiții a parcursurilor. De aceea, în stațiile mari se introduc instalații de centralizare electrodinamica cu comandă pe parcursuri, a macazurilor și semnalelor, de tip CR-3. La acest tip de instalații, acționarea macazurilor și semnalelor se execută de regulă de la aparatul de comandă prin apasarea succesivă a două butoane care delimitează începutul și sfîrșitul parcursului comandat.

Specific pentru aceste instalații este faptul că după apăsarea butoanelor de început și de sfîrșit de parcurs, macazurile din parcursul comandat se manevrează simultan și automat, iar dacă toate condițiile de siguranță sunt îndeplinite, semnalul respectiv se pune de asemenea automat pe liber, fară să mai fie necesară o operație suplimentară la aparatul de comandă.

Instalațiile de centralizare de tip CR-3, cu toate că permit efectuarea automată a parcursului, nu exclud nici posibilitatea manevrarii individuale a macazurilor și comenzii separate a semnalelor.

În general, toate mișcările de circulație și manevră se efectuează numai cu parcursuri centralizate cu dependențe reciproce între macazuri și semnale, întrucât aceste parcursuri sunt uneori lungi și complicate, pentru organizarea cât mai judicioasă a activitații s-au adoptat urmatoarele principii :

ca bază a parcursului s-a luat „fracțiunea de parcurs”, care reprezintă o secțiune izolată în care sunt incluse 1, 2 sau 3 macazuri sau o sectiune fară macazuri, amplasată în extremitatea stației;

fiecarei „fracțiuni de parcurs” i se atribuie cu ajutorul unor mijloace specifice aceleași calitați (proprietați) ca și parcursului intreg:

atât parcursurile de circulație cât și parcursurile de manevră se formează din mai multe „fracțiuni de parcurs” în funcție de lungimea și de varianta pe care se stabilește parcursul;

deszăvorârea oricarui parcurs se face treptat pe măsura avansării trenului, în funcție de „fractiunea de parcurs” ocupată și apoi eliberată.

În general, stabilirea parcursurilor în stațiile mari se poate efectua pe mai multe variante, în funcție de configurația liniilor stației. Instalațiile de centralizare se realizează astfel încât să se poată stabili oricare variantă posibilă. Datorită acestui fapt, impiegatul de mișcare are posibilitatea să efectueze parcursuri pe variante care ocolesc secțiunile izolate de macaz, sau secțiunile de linie ocupate de material rulant.

Pentru o mai bună organizare a manevrei se montează semnale de manevră. Amplasarea acestor semnale se face luându-se în considerare că mișcarile de manevră să se facă pe drumul cel mai scurt, asigurându-se totodată numarul maxim de parcursuri simultane posibile.

În zona macazurilor se montează semnale de manevră intermediare care fracționează un parcurs de manevră lung în mai multe parcursuri de manevră mai scurte. Ca rezultat al acestei fracționări se pot efectua un numar important de mișcări de manevră simultan cu alte mișcări de manevră sau circulație.

Trebuie menționat că instalațiile de tip CR-3 reduc considerabil durata efectuării unui parcurs, ceea ce duce la mărirea capacității de transport și prelucrare a stațiilor, lucru deosebit de important în stațiile noduri cu circulație intensă și volum mare de manevră. Indiferent de complexitatea parcursului, respectiv de numărul macazurilor care trebuie manevrate, acesta se execută în cel mult 10-12 s, datorită faptului că macazurile se manevrează simultan, iar manevrarea unui macaz simplu se face în 2-3 s.

În stațiile cu activități importante de manevră se prevăd una sau mai multe coloane de manevră, care permit ca acționarea macazurilor și semnalelor din zona aferentă coloanelor respective să se faca local de catre agenți. De asemenea, în stațiile cu activitate de triere sau o activitate de manevră deosebit de intensă, se prevăd mese de manevră amplasate în cabine turn special construite și amenajate, de unde se asigură manevrarea macazurilor și semnalelor din zona deservită de mesele de manevră respective.

Pentru realizarea comenzii pe parcursuri a macazurilor și semnalelor, instalațiile de tip CR-3 sunt prevăzute în plus față de instalațiile cu comandă individuală a macazurilor și semnalelor de tip CR-2 cu un grup special de relee, denumite relee de selecție sau relee pentru automatizarea comenzilor. Acest grup de relee nu îndeplinește în mod direct funcții în legatură cu siguranța circulației. Destinația lor constă în principal în fixarea operațiilor efectuate de impiegatul de mișcare la aparatul de comandă, pregătirea manevrării simultane a macazurilor, verificarea manevrării macazurilor în poziție corespunzătoare parcursului ce se stabilește, precum și alte funcții care rezultă din comanda pe parcursuri a macazurilor și semnalelor.

Pe rețeaua feroviară există în prezent trei tipuri de aparate de comandă:

tipul mai vechi, monoplacă, combinat cu luminoschema în plan vertical, introdus în exploatare până în anul 1970;

aparatele de comandă domino, combinate cu luminoschema, având fața înclinată la 15°, introduse în stațiile mijlocii începând cu anul 1970 și extinse în continuare;

aparatele de comandă cu manipulator și luminoschemă separată, realizată tot din elemente domino (de câmp și de control), introduse tot dupa 1970.

Aparatul de comandă al instalațiilor de centralizare tip CR-3 se deosebește de aparatul de comandă de tip CR-2 în special prin modul său de manipulare, rezultat din însuși specificul instalațiilor tip CR-3. În locul butoanelor de comandă individuală a semnalelor se amplasează geografic, butoane de comandă a parcursurilor, acționate după principiul „de unde — încotro”. Aceste butoane se montează, de regulă, lângă repetitoarele semnalelor sau pe axele liniilor de pe luminoschemă. Pentru stabilirea unui parcurs, este necesară acționarea numai a două butoane, unul de început și unul de sfârșit de parcurs, când parcursul se efectuează pe varianta principală (cel mai scurt parcurs).

Dacă toate condițiile de siguranță sunt îndeplinite, macazurile se manevrează automat, iar semnalul respectiv trece automat pe liber. Totodată, la fel ca și la instalațiile CR-2, se aprinde trasa albă a luminoschemei, care se menține până la anularea parcursului de către tren sau anularea manuală, prin tragerea butonului cu care s-a început parcursul (dacă acesta nu este înzăvorât total).

Structura schemelor bloc la instalația de centralizare electrodinamica tip CR-3 ca și la instalațiile CR-2, realizarea tuturor funcțiilor necesare se realizează în mai multe scheme parțiale, cu funcționare secvențială (în mai multe etape succesive). Informațiile obținute într-o primă schemă sunt materializate în excitarea sau dezexcitarea unor relee, trecute prin contacte ale acestora în schemele următoare și cumulate, astfel că în final are loc trecerea pe liber a semnalului și automenținerea unor circuite. În urma trecerii trenului, are loc anularea fracționată a parcursului și revenirea la normal a instalației.

Se precizează că structura schemelor este aceeași, indiferent de varianta tehnică a aparatului de comandă; singura diferență constă în faptul că becurile de semnalizare ale butoanelor sunt:

în buton, la aparatul de comandă combinat, vertical;

în celula luminoasă a liniei din imediata apropiere a butonului la aparatele combinate domino;

în celula luminoasă a liniei din elementul domino corespunzator locului unde se dă comanda, la aparatele de comandă cu manipulator și cu luminoschemă separată.

Aparatul de comandă cu pupitru domino prezintă multe avantaje în raport cu aparatul de comandă cu pupitrul vertical, dintre care menționăm:

permite modificarea ușoară în cazul în care apar schimbari ale configurației stației (dublări de linii, extinderea numarului linilor).

prin modul de amplasare (înclinat la 15º față de orizontală), permite o mai bună vizibilitate asupra liniilor stației;

Situația în lume și la noi în țara

Circulația trenurilor se efectuează în prezent pe baza indicațiilor date de semnale. Nerespectarea acestor indicații (din diferite motive, cum ar fi proasta vizibilitate datorată condițiilor atmosferice nefavorabile, neatenția) conduce la situații periculoase siguranței circulației. Pentru prevenirea acestor situații, în primul rand, administrațiile de cale ferată utilizează diferite sisteme automate pentru controlul vitezei trenurilor. La nivel european, aceste sisteme sunt denumite generic sisteme ATP (Automatic Train Protection). Aceste sisteme necesită existența unui sistem unitar, format din instalații montate pe locomotivă și instalații montate în cale, acestea interacționând între ele prin intermediul transmisiilor de informații. Transmiterea acestor informații se poate face în puncte fixe (control discontinuu al vitezei) sau în orice moment al prezenței trenului pe o anumită distanță (caz în care vorbim despre control continuu al vitezei trenului pe acea distanță).

Cerințele pe care un sistem ATP trebuie să le îndeplinească sunt prezentate în lucrarea „Centralizări electrodinamice și bloc de linie automat” de A.I. Stan și S. David Editura Didactică și Pedagogică, ediția 1983 vol 2, cap 15 – „Controlul automat al vitezei trenurilor”. Dintre acestea, le reamintim pe cele mai importante:

sa comande frânarea rapidă a trenurilor la semnalele respective, daca nu s-au luat din timp măsuri pentru reducerea vitezei sub valoarea prescrisă, sau de oprire, în cazul semnalelor care indică oprirea;

orice defecțiune în oricare din elementele instalației să acționeze în sensul sporirii siguranței circulației, respectiv să ducă la oprirea trenului;

sa permită transmiterea mai multor indicații între linie și locomotivă;

sa nu fie influențate de tipul tracțiunii;

sa satisfacă cerințele privind compatibilitatea electromagnetică;

montarea să fie posibilă pe linii simple, duble sau multiple, fara influențe reciproce;

în cazul liniilor duble sau multiple, interacțiunea cu instalațiile de pe locomotive trebuie să se facă numai pentru sensul de mers respectiv.

Administrațiile de cale ferată utilizează diverse sisteme ATP. În cazul administrațiilor feroviare mari, se pot întalni chiar mai multe sisteme ATP pentru o singură rețea. Un element important legat de sistemele ATP este gradul de echipare al rețelei (reprezentat de raportul dintre numărul de semnale de circulație echipate și numărul total de semnale de circulație). Cu cât acest raport este mai mic, cu atât siguranța circulației este mai periclitată, creându-se premisele unor evenimente de cale ferată.

Din acest punct de vedere putem spune că la CFR lucrurile stau bine, gradul de echipare al rețelei fiind de 100 % (în Romania nu există semnale de circulație neechipate cu sistem ATP).

Situația la nivel european

Ca și în multe alte domenii ale vieții economice, realizarea Uniunii Europene a adus cu sine și pentru domeniul feroviar problema interacțiunii dintre statele membre. În particular, s-a dorit asigurarea circulației trenurilor cu un numar cât mai mic de opriri (datorate diverselor cauze, inclusiv necesitații schimbării locomotivelor) a trenurilor în și mai ales între statele membre. Aceasta este problema interoperabilitații feroviare și rezolvarea ei impune, în fapt, tratarea mai multor aspecte, cum ar fi: electroalimentarea liniei de contact, sistemele ATP, probleme de linii (gabarit, încărcături maxime admise, etc.), reguli de operare, caracteristici ale materialului rulant, etc. Problematica este deosebit de complexă și tratarea ei implică un mare efort din partea participanților, întrucât se poate considera că, practic, fiecare stat membru are propriile reguli privind operarea, propriile valori specifice naționale și propriile sisteme interne. Armonizarea acestora este o încercare pe care țările membre ale U.E. trebuie să o ducă la bun sfârșit.

În această situație, Comisia Europeana a decis crearea unui nou sistem, denumit ERTMS(European Rail Traffic Management System) care, așa cum îi arată și numele, să asigure managementul traficului feroviar la nivel european. ERTMS are mai multe obiective de realizat, una dintre cele mai importante fiind ETCS (European Train Control System). Practic, ETCS reprezintă o integrare unitară dintre un nou sistem ATP, instalații de centralizare și sisteme dispecer (în funcție de nivelul implementat al aplicației). Din punct de vedere al sistemului ATP, acesta a fost conceput atât pentru a asigura interoperabilitatea cât și pentru a elimina cât mai multe din dezavantajele sistemelor utilizate în prezent.

Proiecte europene de mare performanță

Proiectul EURO-INTERLOCKING – inițiativa UIC, careia i s-au alăturat până acum 16 țări, printre care și Romania, prin CNCF CFR SA – presupune realizarea unui sistem unificat de centralizare pe o platformă comună de specificații tehnice. Platforma hardware rămâne la latitudinea firmelor producătoare, care au astfel posibilitatea de a reduce substanțial costurile de proiectare și de fabricație ale instalațiilor. În acest fel, respectând specificațiile EURO-INTERLOCKING, instalația firmei respective va putea fi implementată într-un timp scurt și cu costuri reduse în orice țară participantă. Uniunea Europeana a finalizat recent un proiect – ERTMS/ETCS (European Train Control System), la nivel de specificații tehnice, realizat în ideea asigurării interoperabilității pe căile ferate europene. Calea Ferată Română intenționează să introducă varianta ETCS nivelul I pe Coridorul IV paneuropean cu ocazia reabilitării și modernizării infrastructurii pentru a se putea circula cu viteze de 160 km/h, păstrând în continuare și sistemul clasic INDUSI pentru trenurile care circulă cu viteze de până la 120 km/h. Prima fază a programului ETCS nivelul I o constituie proiectul transfrontalier Arad – Bekescsaba (Ungaria), care a devenit interesant nu numai pentru unguri, ci și pentru Romania și Austria. Toate cele trei țări vor întreprinde, în scurt timp, acțiuni comune pentru a-l promova. ETCS LC (ETCS Low Cost) este un alt proiect european, aflat în faza de elaborare a specificațiilor tehnice. Calea Ferată Română este parte activă la acest program care se dorește a fi o variantp cu costuri mult mai reduse a sistemului ETCS, utilizabilă pe liniile secundare. La nivelul Uniunii Europene se preconizează integrarea mai multor proiecte, printre care se numară și cele amintite mai sus, într-un sistem unitar care sa permită interoperabilitatea diverselor căi ferate.

Situatia la CFR

Una dintre cele mai vechi instalații de centralizare electrodinamică (cu relee) din Romania funcționa, înca din 1960, în stația Ploiești Sud. Acest tip de instalație a fost conceput în SUA, în deceniul patru, iar mai târziu, între anii 1950-1960, tehnologia a fost preluată și de țările fostului Consiliu de Ajutor Economic Reciproc. Păstrată și folosită până astăzi în stația Ploiești Sud, instalația a funcționat la început cu relee rusești, care, la scurt timp, au fost înlocuite cu relee românești, fabricate la Electromagnetica București.
O datp cu explozia informațională și cu creșterea rapidă a performanțelor tehnicii de calcul, pe plan mondial s-a dezvoltat o nouă generație de instalații de siguranță a circulației, bazate pe tehnica de calcul. Numărându-se, de peste 40 de ani, printre administrațiile feroviare foarte avansate din punctul de vedere al conceptului de siguranță și al tehnologiilor folosite pentru siguranța circulației, pentru a se alinia la noua generație de instalații Calea Ferată Română declanșează un amplu program de reabilitare și modernizare pe termen lung a instalațiilor de siguranță a circulației în cadrul reabilitării infrastructurii feroviare. Instalația de centralizare electronica (CE), alăturându-se celorlalte realizări mondiale feroviare, reprezintă vârful unei noi tehnologii care se extinde în tot mai multe administrații de cale ferată. Deși era destul de greu să intre în joc într-un moment în care mulți ajunseseră deja departe, specialiștii români au demarat programul de implementare a instalației CE într-o stație mare de cale ferată – Ploiești Sud -, pentru a nu face aceeași greșeală pe care au comis-o alte administrații implementând noul sistem în stații mici. Spunem „greșeală” întrucât, dacă instalația respectivă este montată inițial într-o stație mică, apare riscul de a nu corespunde gradului de complexitate pe care îl impune o stație mare și nu se pot trage concluzii corecte asupra calitaților sistemului, riscând astfel să nu se poată rezolva problemele complexe ale unei stații mari.

În ciuda avantajelor cu care sistemul INDUSI s-a impus la CFR:

siguranță ridicată în funcționare;

posibilitatea punerii în dependență cu orice tip de semnal;

posibilitatea controlării restricțiilor și limitărilor de viteză din linie curentă;

întreținere simplă;

nu necesită sursă de alimentare cu energie electrică din cale.

Acesta are în mod evident și o serie de dezavantaje, multe dintre ele comune tuturor sistemelor ATP de tip discontinuu:

nu se transmit la bord informații asupra vitezei efective de circulație;

corelat cu acest aspect, cantitatea de informații transmisă de echipamentul din cale este redusă (pentru viteze de 160 km/h apar probleme legate de indicația de galben clipitor);

dupa depășirea unui punct de control (fizic sau temporal) mecanicul poate crește din nou viteza;

sistemul ATP nu este capabil să sesizeze lipsa inductorului de cale ;

sistemul nu este eficient pentru viteze mai mari de 160 km/h.

Sistemul ETCS a fost conceput în așa fel încat, chiar și pentru nivelul 1 (discontinuu), sa asigure:

transmiterea la bordul locomotivei a tuturor informațiilor necesare pentru calculul vitezei maxime permise de circulație. Practic, cantitatea de informație ce se poate transmite din teren catre echipamentul de pe locomotivă nu este limitat;

controlul continuu al vitezei de circulație;

sesizarea lipsei sau defectării instalațiilor din teren;

eficiența pentru viteze de circulație de peste 200 km/h;

posibilitatea transmiterii continue de informații din teren către locomotivă;

capacitatea sistemului de a integra instalațiile de centralizare și de a funcționa în regim de dispecer;

afișarea unei game largi de informații la bordul locomotivei prin intermediul unei interfețe speciale (viteza efectivă, viteza maximă permisă, distanța până la urmatorul punct de control, starea instalațiilor de trecere la nivel pe care urmează să le întalnească, etc).

Date fiind avantajele acestui sistem (performanțe tehnice, satisfacerea condițiilor de interoperabilitate impuse de integrare Romaniei în Uniunea Europeană, avantaje operaționale deosebite), conducerea CFR a luat decizia ca în cadrul lucrărilor de reabilitare a liniilor de pe coridoarele europene care traversează Romania (Coridoarele IV și IX) să fie implementat sistemul ETCS, nivel 1 cu repetarea la minim 500 m a informației date de semnalele de circulație. Această decizie a fost salutata și este sprijinită de catre UIC și UE, care doresc promovarea și dezvoltarea atat a sistemului ERTMS/ETCS cât și a rețelei de coridoare europene (TEN – Trans European Network).

CFR și prevederile UIC

Cu ocazia introducerii instalației de centralizare electronica de la Ploiești Sud se promovează la Calea Ferată Română și noul cod de semnalizare cu trepte multiple de viteză, care respectă în totalitate prevederile Fișei UIC 732R. Noul cod introduce două tipuri de semnalizare: semnalizarea separată (prin cifre luminoase, realizate pe indicatoare cu fibra optica) atât a vitezei la semnal (daca aceasta este mai mică decât viteza stabilită), cât și a vitezei preconizate pentru semnalul următor și semnalizarea de distanțare cu unităti optice luminoase (verde, galben și rosu).

De asemenea, avân-du-se în vedere proiectele de modernizare aflate în curs de execuție, s-a aprobat introducerea semnalizării de distanțare cu patru indicații, care o va înlocui pe tronsoanele cu viteze mari pe cea cu trei indicații, utilizată în prezent. Sistemul conceput este perfect compatibil cu cel care functionează și astăzi, neexistând indicații care să creeze confuzii. În fapt, modificările sunt minime și foarte ușor de realizat. Practic, acest nou cod de semnalizare reprezintă o prelungire a codului de semnalizare cu doua trepte de viteză. Astfel, se va renunța treptat la semnalizarea cu două trepte de viteza, care se folosește de aproape doua decenii, pentru situațiile speciale de viteza sporita în abatere. Semnalizarea de distanțare cu patru indicatii va constitui suportul sporirii vitezei maxime de circulatie la 160 km/h și apoi la 200 km/h pe Coridorul IV, fără a modifica lungimea sectoarelor de bloc de linie, ceea ce constituie un avantaj în cazul traficului combinat.

Centralizările electronice

Masurile luate în considerare pentru îndeplinirea obictivelor de creștere a serviciilor de transport feroviar ale centralizărilor electronice:

timp de calatorie mai scurt;

informatii actualizate si complete privind situatia operationala a rutelor si statiilor;

disponibilitate crescuta a cailor ferate;

asigurarea unui standard de siguranta inalt;

automatizarea si rationalizarea operatiunilor in domeniu;

imbunatatirea sistemelor de control al operatiunilor si infrastructurii;

adaptarea simpla a sistemelor instalate la schimbarile operationale.

Ținând cont de cerințele și măsurile indicate, sistemul a fost dezvoltat pe baza următoarelor criterii:

design ergonomic al stațiilor de lucru ale operatorului;

timpuri de răspuns scurte;

comportare de încredere a sistemului în timpul operațiunilor;

arhitectura sistemului independentă de tehnologie;

interfața transparentă pentru schimburi de date și comunicații cu alte sisteme;

structură modulară;

un grad înalt de disponobilitate și încredere prin folosirea hardware-ului deja dezvoltat;

minimizarea cheltuielilor pentru întreținere;

simplificarea proceselor implicate în verificarea funcționării corecte și a siguranței cu menținerea standardului înalt deja existent;

configurări si modificări simple;

reducerea cheltuielilor pentru infrastuctură;

reducerea costurilor investițiilor clientului și operatorului.

Începând cu anul 2002 a început introducerea la CFR instalatiilor de centralizare electronică, prima stație dotată cu acest tip de instalație fiind Ploiești Sud. În anul 2004 s-au dat în exploatare instalațiile de centralizare electronică și in stațiile Arad, Timișoara Nord, Brașov iar din anul 2006 și complexul Bucuresti Nord.

Comparativ cu instalațiile de centralizare electrodinamice, la instalațiile de centralizare electronică se introduce computerul în procesul de comandă și control al parcursului. La aceste instalații au rămas numai releele de execuție, iar restul de relee au fost înlocuite de computer (microprocesoare/ microcontrollere). La instalațiile exterioare s-au introdus elemente noi, cum ar fi:

manevrarea macazurilor se execută cu electromecanisme alimentate in c.a. trifazat si transmisie hidraulica;

semnalele luminoase de circulație indică multiple trepte de viteza (MTV);

circuitele de cale sunt electronice cu patru secvențe tip C4-64 ;

pupitru de comandă și luminoschema sunt înlocuite de computer cu ajutorul căruia se comandă și se controlează toate elementele din stație, în baza unui program (software) realizat pentru fiecare statie.

Executare parcursurilor de circulație sau manevră, se face de catre operator, cu ajutorul mouse-ului și a tastaturii urmând o serie de comenzi specifice, iar controlul elementelor comandate (schimbătoare de cale, circuite de cale, semnale) se afișează pe ecranul monitorului.

Avantajele cele mai importante ale utilizarii instalatiilor de centralizare electronică sunt:

sporirea capacității traficului;

sporirea capacității de executare a mișcărilor de manevră;

îmbunătățirea sistemului de informații referitoare la trafic;

creșterea siguranței circulației ;

mărirea fiabilității și a disponibilității instalației, ceea ce va duce la scăderea volumului mentenanței preventive și a reparațiilor ;

îmbunătațirea activității de mentenanță prin utilizarea diagnozei și a mentenanței asistate de calculator ;

reducerea volumului de piese de rezervă necesare ;

înregistrarea cronologică a tranzițiilor de pe interfața grafică, ceea ce va oferi posibilitatea de a se realiza play-back;

posibilitatea de a efectua modificări ale configurației stației în timpul operării fără perioade de întrerupere semnificative.

Specificația tehnică a caietului de sarcini, întocmit de CFR, pentru acest tip de instalație a inclus cerințe de cel mai înalt nivel, în concordanță cu normativele europene, între care:

nivel maxim de siguranță SIL 4 (adică are o probabilitate de defectare pe ora de 10-8 – 10-9);

sistemul să fie conceput într-un mod flexibil, care să permită preluarea conceptului de siguranță și a regulilor de operare ale Căii Ferate Române;

„hot redundancy” (redundanță caldă) pe toate nivelurile de procesare ale sistemului;

cerințe de cel mai înalt nivel legate de electromecanismul de macaz, de circuitul de cale, de semnalele luminoase și de semnalizarea la trecerile la nivel cu calea ferată;

timpii de răspuns la comanda obiectelor, precum și la realizarea parcursurilor să fie cel mult egali cu cei ai actualelor instalații cu relee;

releele să fie utilizate doar pentru comutarea tensiunilor, nu și pentru realizarea funcțiilor logice;

sistemul să fie bazat pe facilități automate de proiectare și pe achiziție interactivă de date;

sistemul se va interfața cu obiecte din teren (macazuri, semnale, circuite de cale, etc.) pe cât posibil fara relee;

comunicația între modulele sistemului să fie sigură și fiabilă;

interfețele trebuie să aibă o conexiune sigură cu obiectele din teren;

interfața grafică să furnizeze datele în timp real;

sistemul să ofere posibilitatea de a fi extins sau restrâns fără afectarea gradului de siguranță ;

timpul de răspuns al sistemului la inițierea unui parcurs să nu depășească cu mai mult de 5s timpul de schimbare a stării obiectelor din teren.

Filozofia de realizare a instalațiilor de centralizare electronică se bazează pe principii probabilistice de asigurare a siguranței în funcționare, ceea ce le deosebește net de principiul clasic -fail safe- utilizat în celelalte tipuri, anterioare, de centralizari feroviare.

Exista două concepte acceptate pe plan international:

principiul diversitatii în programare 2oo2 (folosirea a 2 computere pe care rulează programe diferite din punct de vedere al logicii folosite sau la realizarea porgramelor au fost foloste limbaje de programare diferite iar rezultatul acestora este introdus într-un voter hardware);

principiul logicii majoritare 2oo3 (utilizarea a 3 computere pe care rulează același program iar dacă răspunsul acestora nu aste același într-un interval de timp tolerabil computerul care a dat un răspuns incorect este scos din sistem, acesta intrând in modul de avarie dar continuând sa funcționeze).

Noțiunea de fail safe se utilizează, în continuare, pentru nivelurile cele mai înalte de siguranță ale instalațiilor de centralizare electronică.

Elemente inițiale de proiectare:

Schema Bloc

Descrierea blocurilor componente

Postul central de comandă și control

Este format din:

un computer pe care ruleaza programul necesar centralizarii electronice automate a stației realizat în platforma de proiectare de la National Instruments, Labview;

placa de dezvoltare Arduino Mega 2560 folosită pentru comunicația seriala prin magistrala USB cu computerul, aceasta realizează controlul secțiunilor izolate cu ajutorul senzorilor reflexivi cu infrarosu TCRT5000, comanda și controlul poziției schimbătoarelor de cale, a indicatiei semnalelor luminoase, dar si comanda tractiunii electrice a locomotivelor cu ajutorul releelor. O altă funcție o constituie comunicația cu posturile locale printr-o magistrala de tipul I2C prin care se primesc informații referitoare la tipul trenului.

Placa de dezvoltare Arduino Mega 2560 are 54 de pini digitali de intrare / ieșire (dintre care 15 pot fi utilizate ca ieșiri PWM), 16 intrări analogice, 4 porturi UART , un oscilator cu cristal de 16 MHz. Este bazată pe microcontrollerul ATmega2560 ce are o memorie Flash de 256KB, o memorie SRAM de 8KB și o memorie EEPROM de 4KB.

Labview este un limbaj vizual de programare dezvoltat de National Instruments folosit pentru achiziții de date, controlul instrumentelor și automatizări.

În acest limbaj de programare va fi realizată interfața om-mașină ce va comanda și controla elementele de pe teren (schimbatoare de cale, semnale luminoase, etc.) dar și logica necesară funcționării întregului sistem de centralizare electronică automată. Programul va rula în totalitate pe computer, placa de dezvoltare având rolul de a-i transmite acestuia starea elemetelor de pe teren dar și comanda acestora.

Legătura dintre computer și Arduino Mega 2560 se va face folosind un cablu USB-A → USB-B, adică prin magistrala universală serială. Computerul are nevoie pe lângă softare-ul Labview de un driver necesar comunicației seriale NI-VISA iar în microcontroller se va scrie un program care va ajuta la primirea comenzilor și la transmiterea infromațiilor de la și catre computer.

Electroalimentarea plăcii de dezvoltare se va face tot prin cablul USB-A → USB-B, de la computer primind tensiunea de 5V curent continuu și în funcție de consumatori un curent maxim de 500mA.

Comunicația dintre postul central și postul local se va face prin fibră optică deoarece distanța dintre cele două posturi va fi mai mare de câteva sute de metri (distanța maximă de transmisie a datelor prin cablu metalic în curent continuu fără a folosi repetoare), ajungându-se până la 1-2 km.

Există 3 echipamente: un emițător, un receptor și un repetor folosit pentru distanțe mai mari de 2km pentru a se asigura integritatea datelor transmise. Transmițătorul traduce intrarea digitală în impulsuri de lumină, le trimite prin cablu de fibra optica la receptor care traduce impulsurile de lumina înapoi în semnale digitale. Repetorul este compus dintr-un Receptor și un Transmițător legate între ele.

TX – Când intrarea transmitatorului este în „1” logic tranzistorul BC337 trece în starea de conducție deoarece tensiunea de bază este mai mare decât cea a emitorului. Curentul va trece apoi de la 5V la masă (de la colector la emitor). Acest curent permite LED-ului transmițător IF-E96 sa se aprindă rezistorul R6 având rol de limitare a curentului prin led. Pulsul de lumină se transmite apoi prin cablul de fibră optică catre receptor. RD1 limitează excesul de curent sau tensiune datorate tranzistorului.

RX – Configurația circuitului receptor se compune dintr-un foto-detector (fototranzistor IF-D92), și un amplificator. Amplificatorul este o configurație Darlington de 2 tranzistori. Când lumina corespunztoare lui „1” logic cade pe joncțiunea fototranzistorului, caz în care „tensiunea de la baza este mai mare decât tensiunea de la emițător”, atunci fototranzistorul trece în starea de conducție. Deoarece colectorul fototranzistorului este conectat la baza celui de-al doilea tranzistor TF1 (BC337), curentul va fi amplificat.

Când un puls de lumină întâlnește joncțiunea fototranzistorul, acesta convertește acest permite trecerea curentului de la colector către emitor, iar tranzistorul intră în conducție. Avantajul configurației Darlington este de a amplifica curentul foarte rapid, permițând o citire rapidă a semnalului de intrare.

Între postul central și cel local se vor trage 2 fire de fibră optică fiindcă comunicația se va face prin protocolul I2C și unul din cablu metalic care va fi masa comună între cele 2 microcontrollere.

Acronimul I2C vine de la “Inter-Integrated Circuit”. Acest tip de comunicare a redus numărul de linii la două (SDA – date și SCL – ceas). Popular această interfață este cunoscută și sub numele de „comunicare pe doua fire” sau „two wire interface”.

I2C presupune:

Rata de transfer: 10 Kb/s – 100Kb/s;

SDA – Serial Data line;

SCL – Serial Clock line;

Dispozitivele conectate trebuie sa aibă masa comuna (GND);

128 de adrese posibile dintre care 16 adrese rezervate și 112 de adrese folosite pentru contectarea dispozitivelor prin I2C.

Placa de dezvoltare din postul local v-a fi denumită MASTER iar cea de-a din postul central SLAVE. Conceptul MASTER SLAVE presupune următoarele lucruri: dispozitivul MASTER este responsabil de controlul semnalului de ceas precum și de generarea semnalului de START și STOP; dispozitivul SLAVE este responsabil de interpretarea mesajului primit de la dispozitivul aferent MASTER. 

Postul local are rolul de a transmite datele referitoare la un anumit tren, (mai exact codul de indetificare al trenului) care trece prin locația acestuia, date care vor fi citite cu ajutorul unui cititor Rfid, dar mai multe detalii vom vedea în descrierea postului local.

Comanda și controlul poziției schimbătoarelor de cale

Schimbătoarele de cale folosite în această lucrare folosesc forța electromagnetică pentru a comuta de pe directă (macaz pe plus) pe abatere (macaz pe minus). Electromecanismul de macaz fiind format din 2 bobine una în prelungirea celeilalte amplasate pe un suport cilindric în interiorul caruia culisează un element din material feromagentic care are în prelungirea sa o parghie care acționează bara cu cele două ace ale schimbătorului de cale.

Pentru a proteja cele două bobine la menținerea unui timp îndelungat sub tensiune există un sistem care decuplează una din cele două bobine după ce elementul din material feromagentic a atins un capăt de cursă.

Pentru a comuta pe una din cele două poziții se aplică tensiunea de 24V curent continuu între una din cele două borne specifice fiecarei bobine și borna comună la care sunt conectate celalalte capete ale fiecarei bobine.

Borna comună celor două bobine fiind și capacul electromecanismului de macaz va face contact electric cand va fi montat cu elementul care scoate de sub tensiune cele doua bobine și se va conecta la masă ( 0V ).

Comanda electromecanismului de macaz

Atunci când de la placa de dezvoltare se trimite 0V prin pinul de comanda a macazului, nu avem o tensiune necesară VBE de intrare în conducție iar de la colectorul până la emitorul tranzistorului BC337 nu circulă nici un curent (circuit deschis) iar contactul releului este făcut pe borna normal închis, ceea ce duce la apariția tensiunii de 24V pe borna corespunzătoare poziției pe directă (pe plus) a macazului.

Atunci cand de la placa de dezvoltare se trimite 5V prin pinul de comanda a macazului, adică tensiunea necesară intrării în coducție a tranzistorului BC337, curentul începe să circule de la colector la emitor (circuit închis) implicit este alimentată bobina releului cu tensiunea de 12V, ceea ce duce la atragerea armăturii și închiderea circuitului normal deschis. Se va alimenta cu 24 V borna corespunzătoare poziției în abatere (pe minus) a macazului.

Datorită elementului care scoate de sub tensiune cele doua bobine al electromecanismului de macaz s-a putu folosi un singur releu pentru a comanda poziția unui schimbător de cale, iar în cazul în care acel element nu exista ar fi fost nevoie de minim 2 relee.

Dioda D1 este folosită pentru protecția microcontrollerului în cazul defectării tranzistorului și împiedică apariția tensiunii de 12V pe pinul setat ca ieșire. Rezistorul R2 este folosi pentru a limita curentul folosit pentru punerea în conducție a tranzistorului. Dioda D2 este folosită pentru a preveni apariția efectului de autoinducție cauzat de bobina releului, efect care poate duce la defectarea tranzistorului.

Controlul electromecanismului de macaz

Se va face masurând tensiunea la bornele folosite pentru controlul poziției în felul următor:

Pe borna unde se gasește tensiunea de 24V fața de masă indică poziția macazului, pe directă sau în abatere. Daca se masoară tensiunea de 24V pe borna din dreapta și 0V pe borna din stânga înseamnă ca elementul din material feromagnetic este în interiorul bobinei 2 ceea ce înseamnă ca macazul este pe directă. Daca se masoară tensiunea de 0V pe borna din dreapta și 24V pe borna din stânga înseamnă ca elementul din material feromagnetic este în interiorul bobinei 1 ceea ce înseamnă ca macazul este în abatere.

Comanda și controlul semnalelor luminoase

Semnalele luminoase prezente în această lucrare sunt de 2 tipuri:

cu 2 focuri, folosite la ieșirea din stație;

cu 3 focuri, folosite pentru a indica câte sectoare de bloc libere sunt în fața unei locomotive și pentru intrarea în stație.

Semnificația culorilor:

Focul verde aprins la semnalul luminos cu 2 focuri semnifică posibilitatea trecerii cu viteză stabilită în cazul în care ieșirea din stație se face pe o linie directă sau cu viteză redusă în cazul în care ieșirea se face pe o linie în abatere.

Focul roșu aprins la semnalul luminos cu 2 focuri ordonă oprirea până în dreptul semnalului luminos.

Focul verde aprins la semnalul luminos cu 3 focuri semnifică posibilitatea trecerii cu viteză stabilită și faptul că 2 sectoare de bloc în față sunt libere, iar în cazul intrării în stație, semifică faptul că se intră pe linia directă și semnalul de ieșire de pe această linie este pe verde.

Focul galben aprins la semnalul luminos cu 3 focuri semnifică posibilitatea trecerii cu viteză redusă și faptul că 1 sectoare de bloc în față este liber, iar în cazul intrării în stație, semifică fie faptul că se intră pe linia directă și semnalul de ieșire de pe această linie este pe roșu sau se intră pe linie în abatere și semnalul de ieșire este fie pe verde sau pe roșu.

Focul roșu aprins la semnalul luminos cu 3 focuri ordonă oprirea până în dreptul semnalului luminos și faptul că următorul sector de bloc este ocupat.

În cazul semnalelor luminoase care au și indicație a liniei la care se referă culoarea semnalului luminos se vor respecta urmatoarele reguli: Dacă este aprins numărul liniei mecanicul locomotivei de pe aceasta va respecta culoarea semnalului luminos, iar deplasarea pe celălalte linii este interzisă echivalentul aprinderii focului roșu. Semnificația focurilor este aceeași cu cea a semnalului luminos cu 3 focuri.

Memoriu justificativ

(Introducere, utilitate, soluții existente etc.)

Am ales această tema, deoarece va putea servi la ușurarea muncii impiegaților de mișcare și operatorilor ai căilor ferate, ea bazându-se pe automatizarea procesului de centralizare într-o stație de cale ferată operatorul uman având rolul de monitorizare a bunei funcționări atât a întregii instalații cât și a decizilor luate de aceasta.

Proiectare hardware, software / analiză / calcule tehnice:

Pentru proiectarea sistemului de Centralizare Electronică Automată am folosit ca

Proiectarea unui bloc electronic (cu componente discrete sau cu circuite integrate, cu dimensionarea componentelor pasive și Calcule de fiabilitate

3.5. Proiectare tehnologică, instrucțiuni de operare:

3.6. Calcule economice:

3.7. Lista materialului grafic:

3.8. Lista prescurtărilor și abrevierilor

Figura 1. Instalație CR2 Verticală 6

Figura 2. Instalație CR3 Domino 7

Figura 3. Euro-Interlocking 10

Figură 4. Arduino Mega 2560 18

Figură 5. Comunicație Computer → Arduino 19

Figură 6. Cablu USB 19

Figura 7. Circuit de transmisie prin fibra optică 20

Figura 8. Circuit repetor folosit pentru distanțe mai mari de 2 km 21

Figura 9. Fototransistor NPN IF-D92 și LED super luminos cu lungimea de undă 660 nm 21

Figura 10. Comunicația prin fibra optică folosind protocolul I2C 22

Figura 11. Electromecanism de macaz 23

Figura 12. Schema electrică de comandă a electromecanismului de macaz 24

4. Bibliografie