Промышленные контроллеры в системах автоматизации трамвайных стрелочных переводов
Каждая отрасль предъявляет к оборудованию автоматики свои требования. К примеру, водный транспорт, и особенно морской, требует, от контроллеров коррозионной стойкости, работу в условиях повышенной влажности, в насыщенной солями атмосфере и даже в соляном тумане. Горнорудные компании, предприятия нефтегазовой и химической промышленности, а также некоторые предприятия пищевой промышленности требуют от контроллеров взрывобезопасного и искрозащищённого исполнения с тем, чтобы исключить возможность возгорания или взрыва горючих газов или паров легковоспламеняющихся жидкостей и пыли. Конвейеры с элементами машинного зрения, станки ЧПУ с шаговыми двигателями, а также любые другие быстротекущие техпроцессы требуют от контроллеров минимального времени обратки сигнала, вплоть до 1 мс.
Рельсовый транспорт и конкретно трамвайная сеть, о чём идет речь в статье, нуждаются в надежной работе программируемых логических контроллеров (ПЛК) в условиях сильного электромагнитного излучения. Помимо электромагнитных помех контроллеры, а также блоки расширения и питания должны быть устойчивы к физическому воздействию, вибрациям и иметь пыле-влагозащиту.
Особенностям разработки и испытаний индустриальных контроллеров посвящены две специальных материала: «Промышленные контроллеры – разработка конструкции в соответствии классом защиты IP54» и «Испытания промышленных контроллеров в условиях внешних воздействующих факторах», но в этой материале мы расскажем о конкретном применении – о промышленных программируемых логических контроллерах (ПЛК) и специфике их работы в проекте автоматизации стрелочных переводов трамвайных путей.
Начальные условия
Трамвай переключает стрелку достаточно специфично, а именно за 18 метров перед стрелкой он должен двигаться либо с включенным электродвигателем, либо с выключенным (накатом). Таким образом электродвигатель либо вырабатывает электромагнитный импульс, либо нет. У каждой стрелки есть соленоидный привод, который при получении импульса втягивает сердечник и переводит перья стрелки. Если импульса нет, то стрелка остается неподвижной. По умолчанию она всегда «смотрит» направо, а при получении импульса переводит ее налево. После прохождения трамваем стрелки она возвращается в исходное положение, то есть направо. Трамвайные стрелки имеют только двойную развилку, а тройственного переключения (лево-центр-право) – не существует, причем физически рельсы на полотне могут быть направлены и в прямом направлении, но для стрелки важен только бинарный код: либо отклонение есть, либо нет.На 28 секунде видео можно услышать звук перевода стрелки в процессе проезда второго трамвая:
Естественно, такой способ перевода не очень удобен, особенно для пассажиров, испытывающих толчки при движении трамвая, поэтому встал вопрос автоматизации переключения. Раньше стрелки переводили вручную. Водитель выходил из трамвая, надевал сигнальный жилет, брал специальный ломик и вставлял его на всю глубину в перо стрелки, чтобы перевести её. Это было тяжело, отнимало время и создавало риски для безопасности. К слову сказать в прошлом стрелки переводили вручную – вагоновожатый останавливал трамвай, выходил и переводил стрелку ломиком.
Автоматизация
Автоматизация заключается в следующем: перед стрелкой устанавливается RFID датчик (считыватель), который идентифицировал прохождение конкретного трамвая с установленной ответной меткой с уникальным номером подвижного состава или сцепки, следующего по заранее установленному диспетчером маршруту. Теперь уже не двигатель, а датчик посылает импульс на контроллер, установленный в шкафу автоматики рядом со стрелкой. Таким образом переключение стрелки перестало зависеть от режима работы электромотора. При этом в кабине трамвая обычно есть монитор или планшет, где отображается текущее положение стрелки и планируемый маршрут.
Как устроены стрелочные переводы?
В зависимости от конструкции стрелочного перевода используются два типа силовых агрегатов:
А. Электромагнитные (соленоидные) приводы: это мощные катушки-соленоиды. При подаче 600 В постоянного тока внутри возникает сильнейшее магнитное поле, которое мгновенно втягивает сердечник и передвигает перья стрелки. Именно они при включении/выключении создают колоссальные индуктивные выбросы и наводки, способные сжечь блок питания контроллера в шкафу управления.
Б. Электромеханические (моторные) приводы: вместо соленоида стрелку переводит компактный электродвигатель через редуктор (например, современные приводы СПТ). Этот мотор также рассчитан на работу от 600 В постоянного тока. Такие приводы переключаются чуть плавнее, но пусковые токи двигателя все равно создают сильные помехи в сети.
Подводные камни
С теоретической точки зрения проект не был сложным и предварительно проведенные лабораторные испытания подтвердили работоспособность схемы с ПЛК и датчиками. Однако на практике внедрение столкнулось с описанной ниже спецификой рельсового транспорта.
Ток срабатывания электромагнитного привода стрелки составляет в среднем от 100 А до 450 А в течение короткого времени (до 0,3 с). В момент коммутации кратковременно возникает импульсное магнитное поле высокой интенсивности в зоне контактного элемента и кабелей управления. Ниже описаны основные факторы, влияющие на управляющую автоматику в шкафу:
- Броски тока и напряжения (индуктивный выброс). Это главная угроза для всей электроники в электрошкафах. Соленоид (электромагнит) стрелки обладает высокой индуктивностью. Когда стрелка переключается, цепь разрывается. В этот момент запасенная в соленоиде энергия резко высвобождается. В результате возникает обратный скачок напряжения (самоиндукция). Он может в разы превышать рабочее напряжение сети. Этот импульс «пробивает» блок питания ПЛК через общую сеть или цепи заземления.
- Наведенные токи в слаботочных линиях (наводки). Слаботочные кабели ПЛК и кабели связи в случае неправильного монтажа вблизи силовых линий, при определенных условиях, могут получить от них наводку тока и высокое напряжение. Энергия идет обратно в контроллер и сжигает его входные каскады или внутреннюю схему питания.
- Гальваническая связь через общую «землю». Если заземление шкафа выполнено неправильно или заземляющий контур имеет высокое сопротивление, то мощный ток стрелки в момент коммутации не уходит в землю. Потенциал земли резко подпрыгивает. Так как ПЛК тоже заземлен, этот ток «перетекает» в слаботочную плату через цепи заземления (срабатывает так называемая петля заземления), вызывая выгорание элементов цепей питания.
- Дуговые разряды на контакторах. Силовые реле или контакторы, которые включают стрелку, имеют внутри пружинные контакты, и эта механика со временем изнашиваются. При размыкании их контактов возникает электрическая дуга. Дуга создает мощный спектр высокочастотных радиопомех, которые проникают в чувствительную электронику ПЛК через пластиковые корпуса и не экранированные линии.
- Внешние факторы (особенности трамвайной сети). Трамвайная контактная сеть очень «грязная». На ней постоянно происходят скачки напряжения из-за подпрыгивания пантографов (токоприемников) при движении трамвая в местах пересечения контактных линий. А также при определенных погодных условиях, когда на проводах образуется лед. В моменты искрения в сети питания в шкафах автоматики могут возникать кратковременные импульсы, которые воздействуют на блоки питания ПЛК.
Учитывая эту специфику, любые популярные дешевые контроллеры, устанавливаемые допустим в системах вентиляции или теплоснабжения, в системах умного дома и т. п. не имеющие защиты по питанию и не прошедшие испытания по ГОСТам на электромагнитную совместимость, не выдерживали перечисленных воздействий. Они давали сбой и даже сгорали.
Сгоревшие платы контроллеров:
Способы защиты
Чтобы схема ПЛК больше не выгорала, в шкафах управления применяют следующие защитные меры:
- Защита от индуктивных выбросов: в цепях питания ПЛК или отдельных блоков питания ставятся фильтрующие LC-цепочки и мощные диоды, которые «гасят» обратный импульс тока.
- Разнос кабелей: силовые провода и слаботочные кабели ПЛК прокладывают в разных коробах на расстоянии не менее 10 – 20 см друг от друга.
- Экранирование: все слаботочные линии выполняют экранированным кабелем, а экран заземляют только в одном месте на земляной шине (обычно со стороны шкафа).
- Оптическая развязка (гальваническая изоляция): сигналы от датчиков и на реле пропускают через оптроны. Это разрывание возможного паразитного контакта или петли между слаботочной и силовыми частями через преобразование электрического сигнала в оптический.
- Качественный блок питания: для ПЛК используют промышленные блоки питания с защитой от короткого замыкания, перенапряжения и со встроенными фильтрами.
Металлический корпус ПЛК, блоков расширения и питания:
Испытания
Перед изготовлением опытной партии контроллеров и блоков расширения нужно было испытать их на электромагнитную совместимость (ЭМС). Что и было сделано – был проведен целый комплекс испытаний, как собственными силами, благо оборудование для тестирования у нас есть, так и сторонними независимыми лабораториями.
Контроллеры и блоки расширения испытывались на воздействие электростатического разряда, кондуктивных и индустриальных радиопомех. Испытания производились в аккредитованном испытательном центре и подтвердили соответствие изделий требованиям электромагнитной совместимости по ГОСТ 33436.4-1-2015 с критерием качества «А» – такие требования предъявляются для устройств и аппаратуры железнодорожной автоматики и телемеханики.
Проверка промышленных контроллеров и модулей расширения на пробой:
Видео испытаний на пробой:
Испытания безэховой камере – тестирование на устойчивость оборудования к воздействию электромагнитного излучения:
Испытания промышленных контроллеров в климатической камере:
Результаты испытаний
Выдержка из протокола:Контроллер программируемый РТ330100 соответствует требованиям ГОСТ 33436.4-1-2015 с критерием качества функционирования «А» по устойчивости к следующим внешним электромагнитным воздействиям:
• электростатические разряды в порт корпуса: 6 кВ – контактный разряд; 8 кВ – воздушный разряд по ГОСТ 30804.4.2;
• наносекундные импульсные помехи в порт электропитания постоянного тока, порт электропитания переменного тока, порт заземления и порты ввода-вывода сигналов 2 кВ при 5 кГц по ГОСТ 30804.4.4;
• микросекундные импульсные помехи большой энергии в порты ввода-вывода сигналов: «провод-земля» - 1 кВ, 1/50 мкс, в порт электропитания постоянного тока: «провод-провод» - 1 кВ, 1/50 мкс; «провод-земля» - 2 кВ, 1/50 мкс, в порт электропитания переменного тока: «провод-провод» - 1 кВ, 1/50 мкс; «провод-земля» - 2 кВ, 1/50 мкс по ГОСТ Р 51317.4.5;
• провалы и кратковременные прерывания напряжения электропитания (порт электропитания переменного тока);
• пульсации напряжения электропитания постоянного тока (порт электропитания постоянного тока);
• радиочастотное электромагнитное поле в порт корпуса: 80-1000 МГц – 10 В/м, 800-1000 – 20 В/м, 1000-2100 – 10 В/м, 2100-2700 – 5 В/м по ГОСТ 30804.4.3;
• магнитное поле промышленной частоты в порт корпуса;
• кондуктивные помехи, наведенные радиочастотными электромагнитными полями в полосе частот от 0,15 до 80 МГц в порты ввода-вывода сигналов, порт электропитания постоянного тока, порт электропитания переменного тока, порт заземления, 10 В, по ГОСТ Р 51317.4.6.
По уровню помехоэмиссии соответствует требованиям п. 4.3 ГОСТ 33436.4-1-2015.
После тестирования оборудования в лаборатории мы перешли к полевым испытаниям.
Монтаж устройств в шкафах автоматики и пуско-наладочные работы:
Контроллер устанавливается внутри шкафа и по «сухим контактам» коммутируется к существующей автоматике электропривода стрелки. Антенны радиомодуля и LTE, подключаемые к контроллеру, выводятся наружу шкафа. Контроллер может комплектоваться модулями расширения для подключения другого оборудования, например датчиков вскрытия, температуры, влажности и проч., данные которых передаются по радиоканалу на сервер и АРМ диспетчера.
ПАВ датчики, метки и считыватели, монтируемые с одной стороны на подвижной состав, а с другой – на элементы рельсового полотна – шпалы, асфальт, бетон, брусчатка, плитки. Нами были разработаны несколько типов датчиков, для крепления на различные конструкции и поверхности, включая установку в предварительно засверленные полости полотна.
Натурные испытания прошли успешно – контроллеры в промышленном исполнении, равно как модули расширения и блоки питания уверенно вели себя в полевых условиях.
Выводы испытаний
Соответствие нормативам и стандартам:ЭМС: ГОСТ 33436.4-1-2015, ГОСТ 33436.3-2, ГОСТ 30804.6.2, ГОСТ 30804.4.2, ГОСТ 30804.4.3, ГОСТ 30804.4.4, ГОСТ Р 51317.4.5. Критерий качества «А».
Механические внешние воздействующие факторы: ГОСТ 34012, ГОСТ 30631, МС3.1 (РТ330100), M29 (РТ330200)
Климатические внешние воздействующие факторы: ГОСТ 34012, ГОСТ 15150 К3.1 УХЛ2 (РТ330100), К4 УХЛ1 (РТ330200)
Контроллеры предназначены для работы как внутри шкафов автоматизации, так и на открытом воздухе и могут эксплуатироваться в условиях внешних воздействий как климатических, так и техногенных.
Контроллеры могут быть внедрены как в существующие программные системы заказчика, так и с применением собственной программы управления и мониторинга «ПрофиКонтроль».
ТТХ контроллеров РТ330100 / РТ330200
Процессор: Rockchip RK3568J / LPDDR4 – 4GB / eMMC Flash - 64GB / Wi-Fi IEEE 802.11a/b/g/n/ac, Bluetooth 5.0.
Операционная система: Debian Linux, ALT Linux
Интерфейсы: 1х1 GB/100Mb/10Mb Ethernet, поддержка Modbus TCP, 1х1 GB SFP, консольный порт USB, Host-порт USB, RS-485 Двухпроводная шина, скорость до 115200 бит/с (две линии, дальность до 10 м), поддержка Modbus RTU. А1-А4 – 4 шт. конфигурируемые порты:
• Дискретные входы DI. Имеют подтяжку к цепи +5 В внутри изделия, срабатывает при замыкании линии на цепь GND (напряжение менее 0,5 В) – логический ноль, логическая единица при напряжении более 1,2 В
• Дискретные выходы DO «сухой контакт», выход типа «открытый сток» с максимальным током 1 А.
• Аналоговые входы AI Диапазон измерений от 0 до 36 В. Погрешность ±1 %. 2 × 1-Wire – цепь для подключения двухпроводных устройств, питание внешнего устройства осуществляется по линии данных (+5 В) – 2 шт.
• Промышленный радиоинтерфейс 868 МГц (Mbee)
Порт CAN: (опция)
Беспроводные интерфейсы и навигация: опционально
Веб-интерфейс (управление): поддержка протоколов SNMP v.3, MQTT, МЭК 61131. Возможность программирования сценариев с помощью встроенной платформы Node-Red
Навигация: ГЛОНАСС/ GPS / Beidou
Коммуникация: 4G (LTE) модем на две SIM-карты формата nano SIM, две антенны Main и AUX, 1 слот для MicroSD
Напряжение питания: от 9 до 48 В
Потребляемая мощность: до 15 Вт (без PoE), до 30 Вт c PoE
«Сторожевой таймер» для обеспечения перезагрузки устройства при возникновении нештатных ситуаций. Vout цепь для подключения нагрузки с защитой от короткого замыкания в нагрузке. Выходное напряжение равно входному напряжению электропитания изделия, максимальный ток нагрузки до 1 А. Vout 5 V – выходное напряжение для подключения устройств, требующих питания 5 В (например, RS485)
Резервное питание для защиты от кратковременных отключений: до 2-х минут
Крепление: на DIN-рейку или на стену
Охлаждение: пассивное, без вентилятора
Рабочая температура среды: от -40 до +50 °С (опционально до 85 °С)
Пылевлагозащита: IP40/IP54.
Габариты (длина/ширина/высота): 117х106х65 мм
Срок службы: не менее 15 лет
Заключительные положения
Первоначально автоматизация предусматривала возможность переключения стрелки с пульта (планшета) водителя трамвая, но позже от этой опции отказались, поскольку график движения полностью контролировался со стороны АРМ в центральной диспетчерской и потребности в ручном переключении водителем трамвая фактически не было. Вот мнение одного из машинистов: «В начале смены достаточно вбить свой маршрут и по системе антенн с датчиками и система будет сама складывать стрелки по маршруту и водителю даже думать об этом не надо. Задал маршрут и забыл. Стрелка перевелась, на светофоре загорелся разрешающий сигнал, поехал».
Облегчение работы водителя и комфорт пассажиров – это, безусловно, важная вещь, но автоматизация позволила решить комплексную задачу управления. Диспетчер теперь получает больший контроль за движением транспорта – в его руках централизованная база данных маршрутов, стрелок, подвижного состава, водителей и событий.
Отметим также, что автоматизация стрелочного перевода не была единственной функцией системы. АСУ также потенциально позволяет осуществлять мониторинг состояния стрелок, контролировать местоположение и состояние не только трамваев, но рельсового транспорта в целом, включая метрополитен и железную дорогу, производить видеонаблюдение, осуществлять автоматическое управление шлагбаумами, сигнализировать о вскрытии релейного шкафа, путевого ящика, помещения релейной. Но это в будущем … которое постепенно становится на свои рельсы.
Пилотные зоны беспилотных трамваев – машинист всё еще в кабине, но только для контроля.
