МЕТОДЫ МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ

АННОТАЦИЯ

Приведены методы измерения диагностических данных и технического диагностирования с напольных устройств железнодорожной автоматики, в частности, фазочувствительной рельсовой цепи и схемы управления стрелкой. Предложены контрольные точки подключения датчиков съёма диагностических данных с вышеуказанных объектов. Представлен порядок анализа полученных данных и возможные причины отклонения их от эталонных значений. Предложенные методы измерений и перечень причин возможных неисправностей диагностируемых устройств позволяют разработать программные комплексы для систем мониторинга.

ABSTRACT

The article presents methods for collecting diagnostic data and performing technical diagnostics of floor-mounted railway automation devices, such as phase-sensitive rail circuits and switch control circuits. The article also proposes control points for connecting diagnostic data collection sensors to these devices. The article provides an overview of the data analysis process and discusses the possible causes of deviations from the reference values. The proposed measurement methods and a list of potential faults in the diagnostic devices enable the development of software solutions for monitoring systems.

Ключевые слова: рельсовая цепь, схема управления стрелкой, мониторинг объектов железнодорожной автоматики, измерение параметров устройств, программируемые логические контроллеры.

Keywords: rail circuit, switch control circuit, monitoring of railway automation facilities, measurement of device parameters, programmable logic controllers.

Введение. Системы мониторинга и технического диагностирования играют важнейшую роль в современное время при обеспечении технологических процессов во многих отраслях жизнедеятельности человечества, в том числе, и на транспорте [1, 2]. Подобные устройства позволяют в некоторой степени отражать картину технического состояния объектов диагностирования, прогнозировать их дальнейшее техническое состояние, систематизировать действия обслуживающего персонала по выявлению и предотвращению отказов, аварий и т.д. [1-3].

К примеру, на железнодорожном транспорте одним из наиболее уязвимых напольных устройств автоматики являются рельсовые цепи и электроприводы стрелочных переводов, требующих частичного проведения их технического обслуживания. Такой подход технического обслуживания данных устройств вытекает от их условий эксплуатаций, т.к. на них постоянно воздействует подвижной состав, погодные условия, перепады температур, засорение и т.д. В силу этого, работниками службы дистанции сигнализации и связи проводится периодический технический осмотр и замер соответствующих параметров в контрольных точках, после анализируются полученные величины измерений и сверяются с эталонными значениями. Все указанные процедуры проводятся с помощью ручных измерительных приборов и приспособлений.

При ручном способе обслуживания на качество технического обслуживания устройств железнодорожной автоматики во многом воздействуют такие факторы, как навыки и опыт сотрудников, добросовестное проведения всех процедур обслуживания, техническое состояние измерительных приборов и т.д. Помимо этого, указанные осмотры и замеры проводятся с определенной периодичностью, т.е. согласно графику технического обслуживания. Соотвественно, возможные изменения между промежутками времени технического обслуживания уловить не получится и устройства до следующего осмотра будут эксплуатироваться с отклонениями в параметрах и возможно со сбоями или вовсе может возникнуть отказ.

В силу указанных недостатков вышеперечисленного метода технического диагностирования, разрабатываются автоматизированные системы сбора диагностических данных, которые позволяют непрерывно осущестлять мониторинг технического состояния устройств, выявлять причины и вырабатывать рекомендации по устранению неисправностей [3-6]. Существующие системы технического диагностирования и мониторинга постепенно совершенствуются, разрабатывается программное обеспечение с поддержкой принятий решения, вводятся новые способы получения диагностических данных, осуществляется поиск новых контрольных точек диагностируемых объектов и т.д.

Статья посвящена вопросам определения новых контрольных точек диагностируемых объектов и методам анализа полученных данных c помощью программируемых логических контроллеров для выявления причин возможных отклонений в функционировании исследуемых устройств.

1. Анализ существующих решений и определение новых контрольных точек съёма диагностических данных с объектов железнодорожной автоматики

При ручном способе технического диагностирования проводимые измерения в известных контрольных точках 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. Рассмотрим данный вопрос на примерах фазочувствительной станционной рельсовой цепи и пятипроводной схемы управления стрелкой в силу вышеуказанных причин.

Одним из частых отказов в работе рельсовых цепей является возникновение случая «ложной занятости», возникающая в результате различных неисправностей. Для устранения такого случая техническому персоналу приходится затрачивать много времени при поиске причины, что, следовательно, может приводить к простою, задержке поездов. При подобном отказе рельсовой цепи, у персонала на основе опыта обслуживания устройств сформировался определенный порядок действий – «алгоритм поиска причин неисправностей», 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. Данный алгоритм подразумевает проведения следующего порядка действий. Сперва производится контроль состояния путевого реле (якорь реле притянут или отпущен), измерение параметров питающего напряжения на обмотках реле, если «питание» отсутствует или напряжение ниже надежного притягивания якоря реле, осуществляется измерение напряжения на питающем конце устройств рельсовой цепи. 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 дополнительный алгоритм поиска неисправностей, который позволит локализовать причину неисправности.

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 программного модуля для систем мониторинга.

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.

Измерения в контрольных точках на питающем и релейном концах устройств, расположенных на посту электрической централизации (ЭЦ) (см. рис. 1), позволяет также выявлять большинство причин отсутствия или понижения напряжения, тока на соответствующих концах рельсовой цепи (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 питающего 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 – автоматический выключатель (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).

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.

Рисунок 1. Метод измерения напряжений и токов в контрольных точках питающего и релейного конца РЦ на посту ЭЦ

Наиболее эксплуатируемым объектом железнодорожной автоматики является стрелочный электропривод. Управление данным объектом осуществляется посредством электрических схем управления. Следовательно, посредством измерений электрических параметров в схеме управления стрелочных электроприводом, можно уловить тенденцию изменения условий эксплуатации, технического состояния электрической схемы и других параметров данного объекта. Автоматизация измерения параметров механической части электропривода в основном представляется невозможным, в силу специфики данной операции. Посредством измерения электрических же параметров и дальнейшего логического анализа полученных данных можно определить условия эксплуатации, наблюдать за тенденцией изменения параметров, которые впоследствии могут прогнозировать состояние устройства (предиктивная диагностика), причин возникших неисправностей и т.д.

Реализация функций сбора диагностических данных со схемы управления стрелкой возможна на основе программируемых логических контроллеров (ПЛК) разных производителей с помощью датчиков тока. На рис. 2 показан предлагаемый принцип подключения к контрольным точкам схемы для фиксации большинства возникающих неисправностей данного объекта диагностирования.

Рисунок 2. Подключение датчиков тока и напряжения к вводным портам модуля ПЛК для измерения токов и напряжений в контрольных точках объектов

2. Методы анализа полученых диагностических данных с объектов железнодорожной автоматики

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 объектах железнодорожной автоматики. 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. 1). 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 защитном блок-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. 3) 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.

Рисунок 3. Фиксация изменения напряжений и токов в устройствах рельсовой цепи в промежутках времени t и t+1

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.

В случае диагностирования электропривода, при увеличении нагрузки (работа на фрикцию, отсутствии смазки и т.д.) на трехфазный электродвигатель переменного тока в питающей сети наблюдается изменение напряжение на фазах, наблюдается так называемое явление – перекос фаз. Измерив напряжение между фазами, можно логически рассуждать об условии эксплуатации электродвигателя, а в конечном счете – стрелки. Помимо этого, такое измерение позволит выявить неисправности типа слипание фаз, обрыв фазного провода, перегорание предохранителя и т.д.

При работе двигателя в нештатном режиме увеличивается потребления силы тока, что также можно измерять непрерывно, подключив датчики тока [5-6] в рабочую цепь схемы управления стрелки (см. рис. 4). К сведению, увеличение потребления тока наблюдается при работе двигателя на фрикцию, промерзания остряков стрелки к подушке, тугом креплении болтов шарнирного соединения остряков.

Рисунок 4. Условный пример перекоса фаз и увеличение потребления тока при работе электродвигателя на фрикцию

На рис. 4 приводится условное изображение перекос фаз трехфазного напряжения при работе электродвигателя на фрикцию. Измеряя значение U1ф-U2ф, U2ф-U3ф и U1ф-U3ф, а также фиксируя увеличенный потребляемый ток двигателем можно программным способом заложить в системы мониторинга функцию анализа данной ситуации и выведения информации. Помимо этого, как говорилось выше, таким способом можно выявлять и другие неисправности в схеме.

Заключение

Выше предложенные методы и алгоритмы измерения диагностических данных в указанных контрольных точках объектах железнодорожной автоматики позволяют сформировать программное обеспечение для систем мониторинга, построенных на основе программируемых логических контроллеров. Далее, на основе предложенных алгоритмов, оперативно выявлять причину возникающих неисправностей, что в конечном счете, сокращается время восстановления работоспособности данных объектов. Заранее составленный перечень причин неисправностей способствует также прогнозированию дальнейшего состояния рельсовой цепи и электропривода стрелки даже при малейших изменениях параметров устройств, что благоприятствует поддержанию высокого технического состояния.

Список литературы:

1. Ефанов Д.В. Функциональный контроль и мониторинг устройств железнодорожной автоматики и телемеханики. – СПб.: ФГБОУ ВО ПГУПС, 2016. – 171 с.
2. 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.
3. 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.
4. Абдуллаев Р.Б., Рузимуротов М.З., Кодирова Н.М. Mетод технического диагностирования станционных рельсовых цепей с использованием программируемых логических контроллеров // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. 2024. 3(120). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/17073
5. Nair V. EC001 “Automation of Railway Signaling Using PlC and Scada” / V. Nair, C. Nikhil. –Coimbatore, Dr. N. G. P. Institute of Technology, 2016. – P. 350–357.
6. Dhanashree A. PLC Based Fully Automated Railway System / A. Dhanashree, T. Khushabu, S. Samrudhi, S. Geeta // International Journal of Advance Engineering and Research Development. – 2017. – Vol. 4, iss. 6. – P. 487–494.