Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Řídicí a automatizační systémy u Českých drah

Automa 5/2000

Aleš Lieskovský, AŽD Praha

Řídicí a automatizační systémy u Českých drah

Obr. 1.

Automatické vedení vlaku
Systém AVV ČD je určen pro automatizaci řízení kolejových vozidel na tratích ČD. Základní funkční částí systému je centrální regulátor vozidla (CRV), který zajišťuje řízení vozidla v režimu automatická regulace rychlosti, kdy je vozidlo řízeno tak, aby dodržovalo, popř. pouze nepřekračovalo nastavenou požadovanou rychlost. Tuto základní funkci je systém AVV schopen plnit na každém vozidle a na každé trati, aniž by musela být vybavena spolupracujícím zařízením.

Požadovaná rychlost může být zadávána buď přímo strojvedoucím, nebo zařízením pro automatické cílové brzdění.

Regulátor rychlosti je charakterizován aperiodickým naváděním na požadovanou rychlost, vysokou přesností udržování rychlosti (±1 km/h), přednostním využíváním dynamické brzdy (pokud ji vozidlo má) či možností automaticky pozdržet předvolenou rychlost, dokud konec vlaku neopustí místo s nižší dovolenou rychlostí.

K řízení tažné a brzdné síly vozidla se používá jednotný signál poměrný tah. Tímto signálem je možné řídit několik i navzájem různých vozidel v soupravě. Zároveň je zajištěna okamžitá reakce vozidla na změnu požadavku (na rozdíl od případu, kdy se přenáší požadovaná tažná síla).

Nadstavbovou částí systému AVV je regulátor cílového brzdění (dále RCB) a regulátor jízdní doby (dále RJD). Úplný systém AVV je schopen zajistit automatic ké řízení vlaku (ATO – automatic train operation). Kompletní systém zajišťuje:

  • respektování traťové rychlosti a samočinné cílové brzdění před místem, kde je rychlost snížena,
  • respektování návěstních znaků návěstidel a samočinné cílové brzdění k hlavním návěstidlům zakazujícím jízdu nebo povolujícím jízdu sníženou rychlostí,
  • samočinné cílové brzdění k nástupištím těch stanic a zastávek, ve kterých má vlak zastavit,
  • poloautomatické, strojvedoucím spouštěné cílové brzdění k začátkům přechodných pomalých jízd,
  • samočinné zadávání výběhu v okamžiku, kdy je možné následující zastávky dosáhnout jízdní strategií výběh-brzda (šetří 30 až 80 % trakční energie).

Pro splnění uvedených funkcí musí být příslušná trať vybavena tzv. informačními body, které umožňují systému AVV určit okamžitou polohu vlaku na trati, a dále musí být v paměti instalována mapa tratě a jízdní řády vlaků, které mají být takto řízeny. Informační bod se skládá ze dvou dřevěných trámů, uložených podélně mezi kolejnicemi. V těchto trámech je ve dvanácti otvorech umístěno osm permanentních magnetů. Rozmístění a polarita magnetů nesou informaci, kterou je schopen zjistit a dekódovat snímač na vozidle. Použitý systém kódování umožňuje zabezpečení až na úrovni Hammingovy distance H = 8.

Informační body poskytují jednoznačnou informaci o poloze vlaku. Ostatní neproměnné informace potřebné pro vedení vlaku, jako je traťová rychlost, poloha návěstidel, sklon tratě atd., získává AVV z mapy tratě uložené v paměti CRV.

Obr. 2.

Informační body musí být umístěny především za každým zhlavím nebo kolejovým rozvětvením. Na straně staniční koleje se obvykle umísťují v blízkosti izolovaných styků odjezdových (cestových) návěstidel, aby se tak do jednoho místa soustředila zařízení vyžadující určité ohledy při údržbě tratě. Na straně tratě jsou nejméně 50 m od styku umístěny krajní výhybky, aby nemohly být zaměněny za magnety ohraničující definiční úsek tratě. Na širé trati jsou informační body určeny pouze k upřesnění polohy vlaku. Na trati s autoblokem se instaluje jeden informační bod pro dvojici protisměrných oddílových návěstidel. Tím je opět respektován požadavek soustředit do jednoho místa zařízení vyžadující ohledy při údržbě tratě. Konstrukce informačního bodu přitom nebrání podbíjení strojní podbíječkou.

Dalším rozšířením možností systému je rádiový přenos návěstních znaků. Slouží k upřesnění nejednoznačného kódu vlakového zabezpečovače, k nahrazení tohoto kódu v nekódovaných úsecích tratě a k přenosu čísla vjezdové koleje. Přenosový systém je navržen tak, že v celé síti ČD používá pouze jediný rádiový kanál (jediný kmitočet). V současné době je tímto přenosem vybavena železniční stanice Praha-Libeň.

Rádiový přenos je možné využívat i pro dálkové dispečerské řízení, kdy centrální počítač bude řídit jízdu všech vlaků ve sledovaném úseku tak, aby při dodržení jízdního řádu byla celková spotřebovaná energie nejmenší. Tato úroveň řízení zatím realizována není.

Systémem AVV jsou vybaveny dvě jednotky (čtyři motorové vozy) řady 470 a nové jednotky řady 471. Hardwarové provedení starších systémů (z počátku devadesátých let) je založeno na stavebnici MESIT (procesor I8088 na 4,77 MHz, velikost programů CRV 6 kB, cílové brzdění 12 kB, mapa tratě Praha – Kolín pro obě koleje v obou směrech 4 kB). Pro nově dodávané jednotky 471 byla zvolena stavebnice PEP Modular (procesor Motorola 68360). Ačkoliv systém AVV má funkce, zajišťující bezpečné stavy výstupů při poruchách, je bezpečnost jízdy vlaku zajišťována nezávislým vlakovým zabezpečovačem.

Řídicí systémy nových vozidel

Úvod
Mikroprocesorový řídicí systém (MPŘS) vozidel 843 (motorový vůz), 943 (řídicí vůz) a 043 (vložený vůz) se skládá z centrálního regulátoru vozidla (CRV, u vozidel řady 843 a 943), diagnostického počítače vozu (DPV, u všech vozidel) a mikroprocesorového regulátoru trakčního agregátu (RTr, u hnacího vozidla 843). Jde o první sériové použití MPŘS u našich drah. Systém je plně připraven pro instalaci automatického vedení vlaku.

Řídicí systém umožňuje řídit i elektrický vůz, je-li to zapotřebí, popř. zároveň s vozem motorovým. Řídicí vozy navíc mohou řídit i starší vozy řady 842 s hydromechanickým přenosem výkonu. Kromě obvyklých funkcí je dostupný i režim regulace rychlosti, což je ve spojení s vozem řady 842 dost neobvyklé.

Hardware
CRV a DPV jsou velmi podobné. Jejich základem jsou šestnáctibitové jednočipové procesory SIEMENS 80C166, pracující s frekvencí 20 MHz. Hardware těchto počítačů pochází z MSV Studénka a je vyráběn v kooperaci s firmami AMiT Praha a MESIT Uherské Hradiště.

Ovládání
Hlavním ovládacím prvkem je nová „jednotná“ hlavní jízdní páka (HJP), která v sobě sdružuje funkce voliče poměrného tahu, voliče režimu jízdy a ovládače brzd. Dalším důležitým ovládačem je tlačítková volba rychlosti.

Hlavním zobrazovacím prvkem je plazmový dotykový displej. Na něm je uprostřed zobrazen velký kruhový měřicí přístroj pro indikaci poměrného tahu s doplňkovou indikací omezení tahu a zobrazením odměřované délky vlaku. V režimu regulace rychlosti se na něm číslicově zobrazuje též požadovaná rychlost. Vlevo od měřiče poměrného tahu jsou otáčkoměr a ampérmetr, vpravo teploměry oleje, vody a tlakoměr oleje. I ty jsou zobrazeny jako klasické měřicí přístroje.

Zobrazení analogových měřicích přístrojů je možné dotykem přepnout na digitální zobrazení hodnot. Například na otáčkoměru jsou běžně dvě ručičky, které ukazují minimum a maximum až ze čtyř agregátů. Chce-li strojvedoucí zjistit přesnou hodnotu otáček, dotkne se prstem otáčkoměru, který se okamžitě změní na číslicový zobrazovač čtyř údajů (vlastní vůz a první řízený, resp. nejbližší dva motorové vozy). Dalším dotykem se zobrazení vrátí k analogové podobě.

Pod měřicími přístroji je tzv. poruchový řádek, na kterém se zobrazují hlášení o vzniklých poruchách či nesprávné manipulaci. Nejsou-li žádné strojvedoucím nepotvrzené poruchy, vypisuje se zde část služebního jízdního řádu.

Obr. 3.

Servisní zobrazení
Spodní část displeje je vyhrazena pro tzv. butonky – dotykové plošky fungující jako tlačítka. Prostřednictvím těchto tlačítek se přechází do servisních zobrazení jednotlivých technologických uzlů vozidla či celého vlaku (řídicí počítače, trakční agregát, požární ústředna, dveřní počítače, krátkodobá či dlouhodobá historie poruch atd.).

Speciální servisní zobrazení vlaku dává přehled o všech vozidlech ve vlaku (jejich řady a inventární čísla), určuje parametry vlaku (délka, hmotnost, brzdicí procenta) a též umožňuje korigovat délku vlaku, jsou-li v soupravě vozidla nezapojená na vlakovou linku. Dále informuje o poruchových stavech jednotlivých vozidel a konečně umožňuje vyvolat kterýkoliv servisní obrázek libovolného vozidla zapojeného na vlakovou linku.

V současné době diagnostický systém detekuje na motorových vozech asi 150 různých poruch ze všech možných obvodů vozidla – od trakčního agregátu, přes vlastní počítače a jejich periferie až po dveře, topení a (skutečně) sledování stavu WC. Na řídicích vozech se těchto poruch rozpoznává asi polovina a na vložených vozech asi pětina. Poruchy se zjišťují i na připojených vozidlech, a strojvedoucí je tak informován i o poruchových stavech všech vozidel ve vlaku (samozřejmě jen tehdy, komunikují-li po vlakové sběrnici).

Kromě obvyklých poruchových signálů se detekuje zhruba deset chybných manipulací strojvedoucího, které na běžných vozidlech způsobují stresové situace a někdy i menší či větší zpoždění vlaku (např. pokus o rozjezd při nezadané požadované rychlosti či nezvoleném směru).

Hlavní funkce softwaru CRV
CRV snímá signály z pultu strojvedoucího, z pohonu a z obvodů brzdy. Na jejich základě dává povely do regulátoru pohonu, do trakční a brzdové výzbroje a řídí součinnost elektrodynamické a pneu matické brzdy, včetně záskoku výpadku dynamické brzdy brzdou pneumatickou.

Kromě řízení vlastního vozu CRV umožňuje řídit v podstatě neomezený počet vozidel, k čemuž využívá dva vodiče kabelu UIC (tzv. vlaková řídicí linka, přenosová rychlost 9,6 kBd).

Dále CRV umožňuje záznam on--line provozních údajů (např. otáčky, poměrný tah, rychlost, proud atd.) a následné vyhodnocení na přenosném PC (přímo za jízdy). Při periodě snímání 100 ms a snímání šesti provozních veličin je délka záznamu téměř dvacet minut.

Další funkcí je zkušební režim CRV. V tomto režimu se simuluje chování řízené soustavy (vlaku) s ohledem na výstupní signály CRV (tedy např. odezva skutečné rychlosti na poměrný tah). Zkušební režim je možné využívat při nastavování konstant, prověřování spolupracujících zařízení (reakce na výstupní signály CRV) či pro výuku strojvedoucích.

Celý program CRV je napsán v assembleru procesoru 80C166 a má asi 12 kB (což je v době mnohamegabytových, v podstatě nic nedělajících programů, vyžadujících Pentium s frekvencí alespoň 233 MHz, malý zázrak).

Hlavní funkce softwaru DPV
Software DPV umožňuje diagnostikovat vlastní vůz a dálkově až 62 dalších vozidel v soupravě. Vychází z návrhu normy IEC TC9 CD 332. K diagnostice ostatních vozidel vlaku jsou využívány další dva vodiče kabelu UIC (tzv. vlaková diagnostická linka, přenosová rychlost 19,2 kBd).

Navržený systém vlakových linek vytvořil normativní zásady pro vznik tzv. národní sběrnice, která umožňuje spolupráci řídicích a diagnostických systémů hnacích, řídicích a vložených vozidel různých řad. Řídit vozidla různých řad též dovoluje nové pojetí jednotného řídicího pultu (vícefunkční ovládače – např. start dieselu a zapnutí hlavního vypínače, zobrazování na displeji – otáčky dieselu a trolejové napětí atd.).

Základní funkcí DPV je zobrazování provozních údajů vlastního a nejbližšího řízeného vozu (u vozu 943 dvou nejbližších řízených vozů). Je možné navolit zobrazení provozních údajů libovolného trakčního vozidla vlaku připojeného na vlakovou linku.

Další funkcí je zajišťování tzv. vozových funkcí. Jde např. o řízení vnějších dveří, sledování napětí vozové baterie se zásahem při jeho poklesu, signalizaci zastávka na znamení, kontrolu vzduchového vypružení, přenos signálů požární ústředny, synchronizaci chodu kompresorů atd.

Kromě trakčních obvodů (včetně regulačních) sleduje DPV i stav tzv. vozových zařízení (dveře vnější i vnitřní – oddílové, topení, vodní hospodářství, vnější osvětlení, obvody dobíjení baterie atd.).

Při poruše či mimořádném stavu trakčních či vozových zařízení na kterémkoliv vozidle soupravy se na zobrazovači strojvedoucího zobrazí patřičná poruchová zpráva.

Dále program umožňuje zobrazit historii posloupnosti poruch či záznam počtu poruch ze zálohované paměti, a to také pro každé vozidlo ve vlaku. Tyto údaje (z vlastního vozu) je možné přenést po sériové lince do běžného osobního počítače a dále archivovat.

Další funkcí je automatický výpočet parametrů vlaku (délka, hmotnost, brzdná váha a brzdicí procenta). Ve spolupráci s CRV zobrazuje odměřování délky vlaku.

Délka kódu programu DPV je asi 40 kB, zhruba stejný objem mají tabulky a konstanty.

Po vyhodnocení zkušebního provozu přibližně sedmdesáti vozidel lze oprávněně říci, že řídicí systém je jednou z nejspolehlivějších součástí vozidel a že ovládání a diagnostika strojvedoucím plně vyhovuje.

Tab. 1. Stručný přehled vývoje regulátoru rychlosti

1965 Výzkumný vzorek regulátoru rychlosti a tahu. Ověření základních principů na motorovém voze M 268.001.
1966 až 1967 Ověření na dieselhydraulické lokomotivě T 444.0204 při větších zátěžích a s elektropneumatickou přídavnou brzdou.
1968 Osazení M 286.011 prvním funkčním vzorkem a M 286.016 druhým funkčním vzorkem. Druhý funkční vzorek ovládal funkční vzorek elektricky řízeného brzdiče DAKO-BSE. Zkoušky násobného řízení pomocí radiopojítek.
1969 Na motorovém voze M 296.2022 provozuschopný funkční vzorek pro vývoj prototypů první generace regulátorů rychlosti.
1971 Na vozech M 296.1008 a 009 prototypy regulátorů rychlosti a regulátorů tahu.
1972 Série regulátorů rychlosti a tahu první generace pro motorové vozy řady M 296.1 v počtu asi 25 kusů, výrobce ZPA
1974 Prototypy regulátorů rychlosti druhé generace zkoušené na lokomotivách ES 499.0001 a 002.
1976 Ověřovací série regulátorů rychlosti druhé generace, použito na T 499.0001 a 002, T 478.4, EM 475.1053 a 054.
1978 Série regulátorů rychlosti druhé generace, E 499.2 a M 475.0.
1979 Druhá série regulátorů druhé generace. Regulátory byly použity na dieselelektrických lokomotivách T 478.4 a byly již bez regulátoru tahu, neboť lokomotivy této řady měly jako hlavní řídicí signál poměrný tah, a tudíž nebylo nutné vytvářet rozhraní mezi regulátorem rychlosti a řídicími obvody. Výrobcem regulátorů byly ZPA Vinohrady. Tyto regulátory byly později použity též na E 458.0001, T 457.0001 a 002, v roce 1980 na S 458.0001 a v roce 1981 na S 499.0256. V témž roce vznikly funkční vzorky regulátorů rychlosti třetí generace, určené pro lokomotivy řad ES 499.1, S 499.2 a E 499.3. Byly jimi osazeny lokomotivy ES 499.1001 a 002.
1983 Prototypy regulátorů rychlosti třetí generace na lokomotivách S 499.2001 a 002.
1984 a 1985 Série regulátorů rychlosti třetí generace pro ES 499.1 a E 499.3. V dalších letech pokračovala výroba regulátorů třetí
1992 a 1993 Vznikly číslicové regulátory čtvrté generace, v provozu na příměstských jednotkách 470. Jsou softwarovou součástí
1995 Číslicový regulátor pro jednotku 843, opět jako součást CRV. Procesor Siemens 80C166, 20 MHz.
1996 Číslicový regulátor pro lokomotivy 471. Procesor Motorola 68360, 25 MHz.

Tab. 2. Stručný přehled vývoje cílového brzdění

1968 V květnu první orientační pokusy na motorovém voze M 286.0011 na trati České Velenice – České Budějovice s ručním spouštěním odměřování ujeté dráhy a jejím měřením integrováním analogové hodnoty skutečné rychlosti. V červnu zkoušky na M 286.0011 s impulsním čidlem otáček nápravy na ŽZO Cerhenice. Samočinné spouštění odměřování ujeté dráhy permanentními magnety a magnetickými spínači.
1970 Montáž a zkoušky provozuschopného funkčního vzorku cílového brzdění na motorovém voze M 296.2022 na trati České Budějovice – České Velenice.
1972 Pravidelný provoz cílového brzdění na M 296.2022 rychlíku pozdějšího jména Bezdrev. Zkoušky optimalizátoru na témž voze v osobních vlacích s cestujícími na trati České Budějovice – České Velenice. Výsledky obdivuhodné: dojezdy do stanic a zastávek s přesností ±7 s a výrazná úspora nafty. Program byl uložen na děrovaném kinofilmu a čtený elektromechanickým čtecím zařízením.
1975 Zkoušky cílového brzdění a optimalizátoru na elektrické jednotce EM 475.1053 a 054 na ŽZO. Program na děrované papírové pásce, fotoelektrické čtecí zařízení.
1977 Cílové brzdění vozů řady Ečs (metro). Toto zařízení zahrnovalo kompletní automatické řízení s ovládáním dveří a palubního rozhlasu, s respektováním nepřeklenutelného dělení napájecí kolejnice a s množstvím dalších funkcí kromě optimalizátoru, který si metro hodlalo realizovat samo pomocí staničních procesorů. Tyto procesory v provozu použity nikdy nebyly. Cílové brzdění se na vozech Ečs denně používalo až do jejich vyřazení v roce 1996.
1979 Zahájení pravidelného provozu ACB - M na soupravě vozů Ečs vedené vozy 1009 a 1014.
1981 Zkoušky cílového brzdění a optimalizátoru na lokomotivě S 499.0256 na trati Plzeň – Horažďovice předměstí za účelem prokázání ekonomické efektivnosti tohoto zařízení. Elektronická paměť s postupným registrem úseků.
1982 Série zařízení ACB - M v provozu.
1984 Vybavení tratě Mariánské Lázně – Cheb pro ověřovací zkoušky cílového brzdění a optimalizátoru s lokomotivou S 499.0256. Adresné informační body složené z permanentních magnetů, elektronický popis tratě uložený v pamětech, samočinná orientace. Totéž zařízení bylo použito pro řešení úkolu ORE pro ověření účelnosti školení strojvedoucích o hospodárném způsobu jízdy, účelnosti grafické nebo tabelární pomůcky a automatizačního zařízení.
1985 Začátek zkoušek zařízení ACB - M2, určeného pro vozy metra řady 81.
1989 Zahájení zkušebního provozu zařízení ACB M2 na soupravě vozů řady 81 s čelními vozy 2157 a 2159.
1991 Lokomotiva 163.034 vybavena regulátorem cílového brzdění na základě mikroprocesorového systému MESIT MS 80. Procesor Zilog Z80, 4 MHz. V listopadu byl zahájen pravidelný provoz na vlacích 5000 a 5011 v úseku Praha Masarykovo nádraží – Kolín.
1992 V dubnu byla rozšířena funkce systému MS 80 na lokomotivě 163.034 o funkci optimalizátoru. Procesor Intel 8088, 4,77 MHz, 2 × 32 kB RAM, 16 kB EPROM.
1993 Vybavení příměstské elektrické jednotky 470.001 a 002 mikroprocesorovým systémem na bázi MS 80 zahrnujícím: centrální řídicí člen, regulátor rychlosti, cílové brzdění, optimalizátor.
1994 Do provozu uveden mikroprocesový řídicí systém na 470.003 a 004. Barevné monitory.
1996 až 1998 Přechod na nové informační body MIB6 se zabezpečeným kódováním.
1997 Cílové brzdění jako součást řídicího systému jednotek řady 471. Dotykový plazmový (monochromatický) displej.