МЕТОД ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СТАНЦИОННЫХ РЕЛЬСОВЫХ ЦЕПЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ КОНТРОЛЛЕРОВ

АННОТАЦИЯ

В статье представлена методика получения диагностических данных и технического диагностирования устройств станционной фазочувствительной рельсовой цепи с использованием программируемых логических контроллеров. Предлагаемый подход основан на постоянном мониторинге ключевых электрических параметров цепи, что позволяет своевременно обнаруживать отклонения и предотвращать потенциальный отказ рельсовой цепи. Приведены места подключения датчиков съёма диагностических данных с устройств рельсовой цепи и результаты анализа полученных данных при различных неисправностях рельсовой цепи. Полученные результаты позволяют составить перечень причин возникающих неисправностей в рельсовых цепях для дальнейшего их заложения в программные модули аппаратной части систем технического диагностирования и мониторинга.

ABSTRACT

The article presents a methodology for obtaining diagnostic data and technical diagnostics of station phase-sensitive rail circuits using programmable logic controllers. The proposed approach is based on continuous monitoring of key electrical parameters of the circuit, which allows for timely detection of deviations and prevention of potential failure of the rail circuit. The connection points of sensors for collecting diagnostic data from rail circuit devices are provided, along with the results of analyzing the obtained data for various rail circuit faults. The obtained results enable the compilation of a list of reasons for rail circuit faults for further incorporation into the software modules of hardware systems for technical diagnostics and monitoring.

Ключевые слова: железнодорожная автоматика, рельсовая цепь, непрерывный мониторинг, измерение электрических параметров устройств, программируемые логические контроллеры.

Keywords: railway automation, rail circuit, continuous monitoring, measurement of electrical parameters of devices, programmable logic controllers.

Введение. В качестве датчиков местоположения подвижных единиц на железнодорожном транспорте служат рельсовые цепи и устройства счета осей. На железной дороге Узбекистана и просторах СНГ большое распространение получили рельсовые цепи. Эксплуатация рельсовых цепей с высоким уровнем надежности требует проведения их периодического технического обслуживания, выполняемых в основном техническим персоналом с помощью подручных измерительных приборов, средств и методов [1].

При традиционном способе обслуживания во многом на качество технического обслуживания устройств железнодорожной автоматики воздействуют такие факторы, как навыки и опыт сотрудников, добросовестное проведения всех процедур обслуживания, техническое состояние измерительных приборов и т.д. В силу того, что все проводимые процедуры при ручном способе технического диагностирования проводятся согласно технологического графика – с определенными промежутками времени. В таком случае, уловить отклонения ключевых параметров устройств можно именно в моменты проведения технических измерений, соотвественно между моментами технического обслуживания устройства будут эксплуатироваться возможно с отклонениями параметров, если последнее имело место быть. Также традиционные методы мониторинга рельсовых цепей часто имеют ограничения, приводящие к потенциальным повреждениям и ненадежной работе.

В силу указанных недостатков ручного способа технического диагностирования, разрабатываются автоматизированные системы сбора диагностических данных, которые позволяют непрерывно осущестлять мониторинг технического состояния устройств, выявлять причины и вырабатывать рекомендации по устранению неисправностей [2]. Существующие системы технического диагностирования и мониторинга постепенно совершенствуются в вопросах определения новых контрольных точек получения диагностических данных, разработки новых модулей программного обеспечения для выявления причины неисправностей и прогнозирования дальнейшего состояния. Следовательно, актуальными являются исследования в данном направлении чему и посвящена данная статья.

В работе исследуются вопросы определения новых контрольных точек и метод технического диагностирования состояния рельсовых цепей на основе программируемых логических контроллеров.

1. Определение контрольных точек съёма диагностических данных с рельсовых цепей.

При ручном способе технического диагностирования рельсовых цепей имеются определенные контрольные точки измерений тех или иных параметров, которые в конечном счете, могут описывать картину технического состояния устройства. К примеру, измеряются напряжение на путевом реле, изолирующих трансформаторах, между рельсами, на питающей установке, в зависимости от типа рельсовой цепи, напряжение на разных сторонах изолирующего стыка для определения целостности изоляции, сопротивление изоляции кабеля и т.д. (см. рис. 1).

Все перечисленные измерения производятся в определенные промежутки времени, помимо этого существующие контрольные точки не обеспечивают полную глубину анализа технического состояния, следовательно, требуется определить новые контрольные места съёма диагностических данных, которые бы позволили точно выявить место и причину неисправности.

Одним из частых отказов в работе рельсовых цепей является возникновение случая «ложной занятости», возникающая в результате той или иной неисправности. Для устранения такого случая техническому персоналу приходится затрачивать много времени при поиске причины, что, следовательно, может приводить к простою, задержке поездов.

К примеру, при подобном отказе рельсовой цепи, у технического персонала на основе многолетного опыта обслуживания устройств сформировался определенный порядок действий – «алгоритм поиска неисправности», при котором возникает ложная занятость рельсовых цепей на станции. Данный алгоритм подразумевает проверку работоспособности сперва постовых устройств рельсовых цепей, а затем, если искомая неисправность не найдена – напольных устройств. В частности, производится контроль состояния путевого реле (притянут якорь реле или наоборот), замер параметров питающего напряжения на обмотках реле, если «питание» отсутствует или напряжение ниже надежного притягивания якоря реле – замер «питания» на питающем конце устройств рельсовой цепи, которые расположены на посту электрической централизации. Очевидно, что если питание на питающем конце устройств рельсовой цепи, расположенных на посту, имеется, а на релейном конце – отсутствует или ниже нормы, то причина заключается в возможной неисправности полевых устройств или кабельной линии. В таком случае, требуется определенный алгоритм поиска неисправностей, который локализует их причину.

Рисунок 1. Станционная фазочувствительная рельсовая цепь

В силу этого своевременная локализация и выявление причины ложной занятости является актуальной задачей. Для решения данного вопроса, во-первых, необходимо выявить контрольные точки и тип измеряемых диагностических данных, во-вторых, разработать метод и алгоритм технического диагностирования, который послужит основой для заложения в виде модуля программного обеспечения для систем, разработанных на программируемых логических контроллерах.

В аппаратной части систем технического диагностирования и мониторинга, реализуемых на программируемых логических контроллерах, съём аналоговых параметров осуществляется в основном с помощью датчиков Холла [3]. Место подключения данных датчиков будет зависеть от вида искомой причины возможной неиспрвности. К примеру, напряжение на обмотках путевого реле может понизиться из-за снижения сопротивления изоляции кабеля, проложенного между постом электрической централизации и напольными устройствами. Следовательно, в таком случае необходимо контролировать сопротивление изоляции кабельных линий с помощью дифференциальных датчиков тока, принцип подключения которых показан на рис. 2.

Рисунок 2. Метод измерения сопротивления изоляции кабельных линий между постом ЭЦ и напольными объектами РЦ с помощью дифференциальных датчиков тока

Измерения в контрольных точках на питающем и релейном концах устройств, расположенных на посту ЭЦ (см. рис. 3), позволяет также выявлять большинство причин отсутствия или понижения напряжения, тока на соответствующих концах РЦ. К примеру, при таком способе подключения, осуществляется непрерывный контроль: напряжения подаваемого от источника питания с помощью датчика 1; наличие питания на выводах вторичной обмотки трансформатора ПТ (датчик 2); отсутствие обрыва и замкнутости цепи (датчик 3): вторичная обмотка трансформатора ПТ – кабельные линии между постом ЭЦ и путевым ящиком – предохранители в путевом ящике питающего конца – первичная и вторичная обмотки изолирующего трансформатора – АВМ – дроссель-трансформаторы обеих концов – рельсовые линии – аппаратура путевого ящика релейного конца – кабельные линии между постом ЭЦ и путевым ящиком релейного конца – подключение путевой обмотки путевого реле; с помощью датчика 4 осуществляется контроль замкнутости цепи устройств релейного конца, расположенных на посту ЭЦ (для локализации причин неисправности при их возникновении на устройствах релейного конца); с помощью датчиков 5 и 6 – контроль напряжения на путевой и местной обмотке путевого реле (при данном типе РЦ).

Рисунок 3. Метод измерения напряжений и токов в контрольных точках питающего и релейного конца РЦ на посту ЭЦ

Подключение датчиков Холла к напольным устройствам РЦ нецелесообразно, т.к. требует расположения отдельных модулей ПЛК непосредственно поблизости диагностируемых устройств. Но при необходимости, напольные модули ПЛК можно расположить в релейных шкафах или путевых ящиках.

2. Методы анализа полученых диагностических данных при технического диагностировании станционной рельсовой цепи

На основе непрерывного съёма диагностических данных с вышеуказанных контрольных точек, фиксации тенденции их изменения во времени и последующего анализа, можно определить причины неисправностей, которые могут возникнуть в рельсовой цепи. Контроль параметров в вышеуказанных контрольных точках позволяет определить причины большинства неисправностей, возникающих в рельсовых цепях. К примеру, “ложная занятость” рельсовой цепи может возникнуть при перегорании путевой обмотки реле, обрыве ее выводов и т.д. Обнаружить подобные неисправности позволяет замер и анализ диагностических данных, получаемых с датчиков 4 и 5 (см. рис. 3). К примеру, при наличии напряжения на выводах датчика 5, но понижении или вовсе отсутствии тока на датчике 4, говорит об обрыве цепи после датчика 4. Соответственно, в программном модуле можно заложить перечень возможных неисправностей при таких параметрах диагностирования. При коротком замыкании в фильтре ЗБ, напряжение на выводах датчика 5 может понижаться, а ток на датчике 4 будет увеличиваться.

Наличие напряжения на выводах датчиков 5, 6, тока на датчике 4 и непритянутый якорь путевого реле, может свидетельствовать о наличии неисправности на местной обмотке – ее перегорании, обрыв ее выводов.

Неисправности напольных устройств РЦ контролируются с помощью датчиков 2, 3, 4 и 5. К примеру, перегорание предохранителей в путевых ящиках, неисправности АВМ, обрыв рельсовых соединителей может свидетельствовать следующее состояние датчиков: напряжение на выводах датчика 2 имеется, на выводах датчика 5 – отсутствует. При изменении погодных условий и понижении сопротивления изоляции балласта наблюдается увеличение протекающего тока через датчик 3 и понижение напряжения на выводах датчика 5.

Фиксация тенденции изменения уровня напряжения на путевом конце и потребляемого тока на питающем, и в конечном счете, “ложной занятости” РЦ, также может определять несколько причин неисправностей. При постепенном (в течение 2-3 месяцев – время t+1, см. рис. 4) понижении напряжения на релейном конце и увеличении тока на питающем – свидетельствует о постепенном уменьшении сопротивления изоляции балласта, что может проявляться при смене сезонов погоды (переход от лета к осени, от осени к зиме) и увлажнении балластного слоя. При ускоренном понижении (в течение 3-4 часов) уровня напряжения на релейном конце и выпаде осадков также может приводить к “ложной занятости” РЦ. При резком понижении (1-2 секунды) вышеуказанного напряжения и значительном уменьшении потребляемого тока рельсовой цепью, свидетельствует об обрыве целостности цепи: питающие устройства РЦ поста ЭЦ – рельсовые линии – устройства релейного конца РЦ на посту ЭЦ. При данной неисправности перечень неисправностей может быть побольше в силу того, что нет непрерывного мониторинга параметров напольных устройств РЦ.

Как отмечалось выше, причиной постепенного уменьшения напряжения на релейном конце устройств РЦ, расположенных на посту ЭЦ, может стать уменьшение сопротивления изоляции кабельных линий, расположенных между постом ЭЦ и напольными объектами. Следовательно, мониторинг данных параметров, позволяет прогнозировать возможный отказ РЦ.

Рисунок 4. Фиксация изменения напряжений и токов в устройствах рельсовой цепи в промежутках времени t и t+1

Вышеуказанный принцип и алгоритм измерения диагностических данных в контрольных точках РЦ позволяет сформировать программные модули для ПЛК, далее, оперативно выявлять причину возникающих неисправностей, что в конечном счете, сокращается время восстановления работоспособности РЦ. Заранее составленный перечень причин неисправностей способствует также прогнозированию дальнейшего состояния РЦ даже при малейших изменениях параметров устройств, что благоприятствует поддержанию высокого технического состояния РЦ.

Заключение

Рельсовая цепь считается одним из ненадежных устройств железнодорожной автоматики, в силу того, ее эксплуатация проходит в экстремальных условиях: воздействие подвижного состава, погодных условий и т.д. Поддержание надлежащего технического состояния РЦ требует проведения периодических мероприятий обслуживания, однако, изменение параметров ее устройств может происходить в промежутки между контролями, что способствует возникновению отказов в работе РЦ, в большинстве случаев – «ложной занятости».

В работе приводятся наиболее оптимальные места подключения датчиков съёма параметров устройств РЦ и методы анализа полученных данных. В силу того, что изменение определенного параметра несет в себе причинно-следственный характер, то и выявление причины может быть заложено в виде программных модулей. Однако, для более глубокого анализа и точной локализации причины неисправности требуется большее количество датчиков, что в некоторых случаях увеличивает стоимость и сложность систем технического диагностирования мониторинга.

Список литературы:

1. J. Guo, X. Wang, Y. Zhang and Y. Yang, "Future prospects on the intelligent monitoring technologies for railway signaling systems in China," 6th IET Conference on Railway Condition Monitoring (RCM 2014), Birmingham, 2014, pp. 1-5.
2. Абдуллаев Р.Б. Современный подход к техническому диагностированию устройств железнодорожной автоматики в условиях высокоскоростного движения в республике Узбекистан // Проблемы безопасности на транспорте: материалы IX международной научно-практической конференции: в 2 ч., Ч. 1 / Министерство транспорта и коммуникаций Республики Беларусь, Белорусская ж.д., Белорусский государственный университет транспорта; под общей редакцией Ю. И. Кулаженко. – Гомель: БелГУТ, 2019. – С. 216-218. – ISBN 978-985-554-878-3 (ч. 1).
3. Ефанов Д.В. Функциональный контроль и мониторинг устройств железнодорожной автоматики и телемеханики. – СПб.: ФГБОУ ВО ПГУПС, 2016. – 171 с.
4. Системы диспетчерского контроля и мониторинга устройств железнодорожной автоматики и телемеханики: учеб. пособие / В. П. Молодцов, А. А. Иванов. – СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2010. – 140 с.
5. Абдуллаев Р.Б. Реализация подсистемы сбора диагностической информации в системах непрерывного мониторинга устройств железнодорожной автоматики на программируемых логических контроллерах // Автоматика на транспорте. – 2020. – Том 6. – №3. – С. 309-331. – DOI: 10.20295/2412-9186-2020-6-3-309-331.
6. Ефанов Д.В., Абдуллаев Р.Б. Система непрерывного мониторинга устройств железнодорожной автоматики на основе программируемых логических контроллеров // Научные труды республиканской научно – технической конференции с участием зарубежных ученых “Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте” (20-21 декабря 2019 г.); Под ред. проф. А.И. Адилходжаева. – Ташкент: ТашИИТ, 2019, 232-236.