CC BY
45УДК 681.518.5
Фролков Игорь Игоревич, студент, 6 курс, Красноярский институт железнодорожного транспорта - филиал Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Иркутский государственный университет путей
сообщения», г. Красноярск Тарасов Александр Владимирович, студент, 6 курс, Красноярский институт железнодорожного транспорта - филиал Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Иркутский государственный университет путей
сообщения», г. Красноряск
ОПТОВОЛОКОННЫЕ ДАТЧИКИ В СОСТАВЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМ ДВИЖЕНИЕМ
Аннотация: Рассмотрены возможности использования оптических датчиков в составе систем управления движением поездов взамен традиционных рельсовых цепей, работающих на электрическом токе. Предлагается способ крепления датчиков к железнодорожным рельсам, а также принцип организации сети передачи данных с них в систему управления. Представлена структурная схема системы регистрации параметров движущихся объектов на основе оптических датчиков. Показано, что оптические датчики могут использоваться не только для позиционирования подвижных объектов, но и для измерения ряда критических параметров подвижных объектов. Результаты работы открывают перспективы перехода на принципиально новый способ управления движением поездов на основе оптических технологий.
Ключевые слова: оптоволоконные датчики, оптико-волоконный кабель, системы управления железнодорожным движением.
Abstract: The article considers the possibilities of using optical sensors as part of train control systems instead of traditional track circuits operating on electric current. A method for attaching sensors to railway rails, as well as the principle of organizing a network for transmitting data from them to a control system is proposed. A block diagram of a system for registering the parameters of moving objects based on optical sensors is presented. It is shown that optical sensors can be used not only for positioning moving objects, but also for measuring a number of critical parameters of moving objects. The results of the work open up prospects for the transition to a fundamentally new way of controlling train traffic based on optical technologies. Keywords optical sensor, parameter registration, electrical interlocking, quantum interlocking
Key words: fiber optic sensors, fiber optic cable, railway traffic control systems.
Развитие средств обеспечения безопасности движения поездов идет по пути совершенствования элементной базы: релейные системы железнодорожной автоматики и телемеханики постепенно заменяются микроэлектронными и микропроцессорными системами с расширенным функционалом и высокой надежностью. Наиболее уязвимыми с точки зрения надежности являются элементы напольного технологического оборудования, отказы которых возникают под действием внешних дестабилизирующих факторов (скачки температуры, влажности, вибрации и так далее.). На напольное технологическое оборудование приходится до 80% отказов средств автоматизации и, в первую очередь, датчиков положения подвижных единиц. Есть два возможных пути повышения надежности напольного технологического оборудования. Первый - использовать периодический контроль и непрерывный контроль автоматическими средствами вместо периодического контроля технического состояния объектов напольной автоматики с помощью электромеханики сигнализации, централизации и блокировки. Системы непрерывного мониторинга позволяют фиксировать
необратимое ухудшение технического состояния средств автоматизации и предотвращать отказы на стадии предаварийных (или катастрофических) состояний [1].
Это требует значительных капитальных вложений как в разработку и строительство, так и в эксплуатацию (создание специализированных команд для обслуживания средств мониторинга, обработки диагностических данных, привлечения технического персонала ситуационных центров и так далее.). Второй подход связан с модернизацией самих объектов автоматизации полов. Замена релейной системы управления на микропроцессорную не обеспечивает надежность наружного технологического оборудования. Благодаря научно-техническому прогрессу стал возможен новый виток развития и средств WAT -переход от традиционных принципов получения и обработки данных на основе электрического тока к оптическим технологиям. Исследования новых принципов получения и обработки данных для ж/д транспорта подтверждают возможность использования оптических датчиков для управления движением.
Оптические датчики и традиционные элементы управления. В России более 5000 железнодорожных станций, движение по которым регулируется системами управления релейными поездами. В настоящее время релейные системы заменяются на микропроцессорные, но темпы переоборудования крайне низкие. Вместо релейной логики вводятся микропроцессорные блоки, реализующие технологические алгоритмы. Команды на управление технологическим оборудованием этажа передаются от управляющего вычислительного комплекса через интерфейсные реле или контроллеры объекта [2].
Датчики положения подвижных элементов, используемые в микропроцессорных системах управления, такие же, как и в релейных системах. В настоящее время в качестве датчиков используются разнообразные рельсовые цепи (современные решения предполагают использование рельсовых цепей тональной частоты в новом строительстве), основными недостатками которых являются: большой расход медного кабеля (он тянется на всем
протяжении), а также так как необходимость работать в большом количестве режимов. Дефекты кабельной сети в такой системе управления поездом вызывают большое количество отказов. Более того, при скорости движения более 200 км / ч некоторые схемы начинают работать некорректно. Это требует совершенствования технических решений на некоторых участках железной дороги.
Эти мероприятия носят частный характер и не решают глобальную проблему. Таким образом, внедрение микропроцессорных систем централизации без замены напольного технологического оборудования не дает качественного скачка в работе железных дорог. Эффективным техническим решением является использование волоконно-оптических датчиков на основе решетки Брэгга. Подобный физический эффект уже широко используется в системах непрерывного мониторинга протяженных линейных объектов. Само оптическое волокно, в отличие от кабеля с медной жилой, не подвержено воздействию электромагнитных помех, что позволяет прокладывать его вместе с кабелями питания и питания. Волоконно-оптический кабель не подвержен влиянию обратного тягового тока, химической и электрической коррозии, исключены такие частые предаварийные и отказные ситуации, как короткое замыкание жил и чрезмерное затухание сигнала. Все это способствует использованию волоконно-оптической связи в составе систем управления поездом. Наименее надежным элементом любой системы управления поездом
является датчик местоположения движущихся единиц - рельсовый контур [3].
Рисунок 1 - Прокладка оптико-волоконного кабеля
Кроме того, потери энергии происходят в самой кабельной сети, что требует более мощных источников питания. Интервальное управление движением поездов с помощью оптоволоконных датчиков способствует резкому снижению энергопотребления за счет циклического опроса датчиков и слабого затухания световой волны в оптоволокне (это исключает использование специальных усилителей для наиболее удаленных объектов управления). Оптоволоконные датчики устанавливаются непосредственно под основанием рельса в спальном боксе в специально отобранных зонах контроля. Информация с датчиков (1) передается по оптоволоконному кабелю (2), проложенному в специальной траншее вдоль железнодорожного пути (3) (рисунок 2) [5; 6].
Для считывания информации с оптических датчиков используются рефлектометры. В программном обеспечении микропроцессорного комплекса, расположенного на линейном посту, имитируется модель системы интервального контроля движения поездов, входными данными которой являются сигналы с датчиков (они служат аналогами путевых реле в релейных системах). Количество подключаемых датчиков ограничено только мощностью компьютера. Компьютеры разных направлений могут быть объединены в сеть, на основе которой может быть организована система удаленного мониторинга.
Рисунок 2 - Схема места установка датчиков
Функциональность оптоволоконной цепи не уступает рельсовой, что обеспечивает контроль местоположения движущихся единиц, целостность
рельсовых путей, а также передачу данных на локомотив. Кроме того, появляется возможность организовать контроль неисправных буксов на вагонах, неисправных осей тележек, учесть фактическую нагрузку на железнодорожный путь, учесть количество и вес проезжающих поездов и прочее. Таким образом, использование волоконно-оптических датчиков является перспективной технологией для построения системы управления движением поездов, применимой как на малых, так и на высоких скоростях [3;
4].
Рисунок 3 - Место установки приемника сигнала
Принцип работы оптического датчика основан на изменении длины волны светового потока, отраженного от дифракционной решетки в волоконно-оптическом датчике (рисунок 4). Изменение длины волны светового потока происходит при механической деформации сенсора или изменении его температуры. Погрешность измерения деформации ± 0,001 мм, температуры ± 0,1 С. Частота измерения находится в диапазоне 100-1500 Гц.
Рисунок 3 - Схема работы датчиков
Следует отметить, что датчики (1) системы подключены к волоконно-оптической линии (2), линия подключена к рефрактометру (3), который оцифровывает сигнал. К одной линии можно подключить до 40 независимых устройств, максимальная дальность действия самой волоконно-оптической линии составляет 40 км [4].
Рисунок 4 - Проверка работоспособности датчиков
Заключение. Оптоволоконные датчики в настоящее время все более востребованы. В данной статье показана возможность использования оптоволоконных датчиков в составе систем управления железнодорожным движением.
Использование таких датчиков открывает путь к созданию так называемых систем квантовой централизации и интервального контроля движения поездов. Следует обратить внимание на то, что оптоволоконные датчики принципиально отличаются от традиционных рельсовых цепей - на участке управления можно фиксировать не только движущиеся узлы, но и реальную весовую нагрузку на элементы надстройки пути (появляются функции системы мониторинга). Этот параметр позволяет вам организовать
обслуживание не по времени, а по фактической наработке на отказ. Недостатком использования оптоволоконных технологий в представленном варианте является отсутствие возможности контроля целостности рельсового пути, однако при улучшении подхода и прокладки оптического волокна появляется возможность непрерывно контролировать геометрические параметры рельсового пути, железнодорожный путь, что также является крайне важным фактором.
Библиографический список:
1. Качество электроэнергии в системах светодиодного освещения. Колмаков В.О., Пантелеев В.И. В сборнике: Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования. Национальный исследовательский Томский политехнический университет; Редакторы: Кудрин Б.И., Лукутин Б.В., Сайгаш А.С., 2012. С. 87-90.
2. Схемотехническое обеспечение качества электрической энергии в сетях с нелинейными электроприемниками массового применения. Колмаков В.О. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Сибирский федеральный университет. Красноярск, 2014.
3. Мониторинг состояния тяговых трансформаторов на основе тензорного анализа. Петров М.Н., Колмаков О.В., Колмаков В.О., Орленко А.И. В сборнике: Эксплуатация и обслуживание электронного и микропроцессорного оборудования тягового подвижного состава. Труды Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Под редакцией И.К. Лакина. 2020. С. 263-269.
4. Analysis of dynamic characteristics of frequency-dependent links. Kolmakov V.O., Kolmakov O.V., Iljin E.S., Ratushnyak V.S. Всборнике: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. С. 012026.
5. Энергосберегающее оборудование и электромагнитная совместимость. Колмаков В.О., Колмакова Н.Р.В сборнике: Инновационные технологии на железнодорожном транспорте. Труды XXII Межвузовской
научно-практической конференции КрИЖТИрГУПС. Ответственный редактор В.С. Ратушняк. 2018. С. 46-53.
6. Электромагнитная совместимость и энергосберегающее оборудование. Колмаков В.О., Пантелеев В.И.Энергетик. 2012. №11. С. 47-49.
