Комплексная автоматизированная система диспетчерского управления работой Екатеринбургского метрополитена

Издание: Производственно-практический журнал «Современные технологии автоматизации», № 4 (81), 27 сентября 2016 г.

Александр Никитин, Дмитрий Углев

Комплексная автоматизированная система диспетчерского управления работой Екатеринбургского метрополитена

Диспетчерское управление Екатеринбургского метрополитена

Любой метрополитен, как система внеуличного городского пассажирского транспорта, представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных систем, призванных обеспечить удобную, быструю и безопасную перевозку населения. Необходимость соблюдать требования безопасности перевозочного процесса и обеспечивать заданную провозную способность линий привела к закономерной централизации и автоматизации ряда технологических процессов работы метрополитена.

В Екатеринбургском метрополитене для эксплуатации и ремонта оборудования и устройств организованы соответствующие службы. Это службы пути и тоннельных сооружений (ПТС), движения (Д), сигнализации, централизации и блокировки и связи (Ш), подвижного состава (Т), электроснабжения (Э), электромеханическая служба (ЭМ) и другие. При этом в трёх из указанных служб: Д, Э и ЭМ, имеется особый сменный персонал – диспетчеры, призванный организовывать и управлять эксплуатационной и ремонтно-технологической работой метро. Если в административном отношении каждый работник подчиняется своему непосредственному начальнику, то в оперативном – диспетчеру соответствующей службы, а по вопросам, связанным с движением поездов, – поездному диспетчеру. Диспетчеры всех служб и подразделений в оперативной работе, связанной с движением поездов, также подчинены поездному диспетчеру, приказ которого обязателен для всех работников метрополитена [1]. Нельзя не отметить, что служба движения работает в тесном взаимодействии со службой Ш, так как в введении последней находится аппаратура организации обеспечения безопасности движения поездов.

Помимо диспетчерского персонала линии метрополитена, на каждой станции имеется персонал дежурных:

• на конечных станциях с путевым развитием – дежурный по станции (ДСП) и дежурный поста централизации (ДСЦП);
• на промежуточных станциях – только дежурные по станции.

ДСП отвечает за работу станции в целом, в то время как ДСЦП, помимо обязанностей, возложенных на ДСП, ещё и управляет движением поездов в пределах станции.

Объекты управление и контроля

Диспетчера метрополитена выполняют управление и контроль следующих объектов и устройств:

По службе движения: светофоры, рельсовые цепи, стрелочные электроприводы, системы электрической централизации на станциях, системы регулирования движения поездов на перегонах (автоматическая блокировка, автоматическая локомотивная сигнализация), устройства выявления перегрева букс и контроля габарита электроподвижного состава. В целом комплекс управления и контроля за движением поездов носит название диспетчерская централизация (ДЦ), в состав которой входит система построения графика нормативного и исполненного движения поездов.

По службе электроснабжения: совмещённые тягово-понизительные подстанции (СТП), деповская (ДПП) и тоннельные понизительные подстанции (ТПП). Основными исполнительными органами, участвующими в технологическом процессе обеспечения электроэнергией являются: выключатели вводов, кабельных перемычек и отходящих фидеров 10 кВ; секционные выключатели 10 кВ; автоматические выключатели вводов РУ-220 В, РУ-380 В; секционные выключатели питания силовых нагрузок РУ-380 В; быстродействующие автоматические выключатели фидеров 825 В, питающих контактную сеть; заземляющие разъединители шин 825 В на СТП; линейные разъединители фидеров 825 В, питающих контактную сеть; зонные и тупиковые разъединители контактной сети; трансформаторы силовые; трансформаторы освещения; трансформаторы СЦБ (СЦБ – устройства сигнализации, централизации и блокировки); кремниево-выпрямительные агрегаты. Кроме того, к этой службе относятся устройства освещения станций и тоннелей.

По электромеханической службе: установки тоннельной и местной вентиляции (вытяжные и приточные системы); вентиляторы и клапаны дымоудаления; воздушно-тепловые завесы; водопроводные задвижки; эскалаторы; водоотливные и канализационные установки; артезианские скважины; устройства для обеззараживания воды; оборудование водопонижения тоннельных камер и станций.

Исходя из этого, оперативный персонал метрополитена должен иметь в распоряжении технические средства для управления и контроля «своих» объектов. Причём на станциях, для дежурного персонала, в перечень таких объектов входят устройства служб Ш, Э и ЭМ, расположенные в пределах станции и части тоннелей, примыкающих к этой станции.

Комплексная автоматизированная система диспетчерского управления

Изначально первая (и пока единственная) линия Екатеринбургского метрополитена была оборудована системой диспетчерской централизации на основе СКЦ-67 для нужд поездного диспетчера и системами телемеханики «Лисна-Ч» для нужд энергодиспетчера и диспетчера электромеханической службы. Для дежурных на станциях использовалась система управления работой станции (СУРСТ), а для управления движением поездов в пределах станции – система маршрутно-релейной централизации (МРЦ). Все указанные системы были построены на полупроводниковой и релейной элементной базе.

В 2009 году были начаты работы по разработке комплексной автоматизированной системы диспетчерского управления (КАС ДУ), призванной заменить вышеуказанные системы управления и контроля. За основу была взята аналогичная система Петербургского метрополитена, разработанная специалистами Центра компьютерных железнодорожных технологий Петербургского государственного университета путей сообщения г. Санкт-Петербург (ЦКЖТ ПГУПС).

Назначение и цели применения КАС ДУ

КАС ДУ предназначена для выполнения следующих задач:

• централизованного диспетчерского управления электрической централизацией стрелок и сигналов, управления электроснабжением, а также управления инженерно-техническими устройствами и эскалаторами из единого центра диспетчерского управления;
• диагностики технических средств КАС ДУ и объектов управления и контроля (вплоть до отдельного функционального узла);
• выдачи диспетчерам оперативной и нормативно-справочной информации;
• формирования отчётных документов (время работы устройства, объём потребления ресурсов и прочее).При разработке технического задания на КАС ДУ для Екатеринбургского метрополитена были поставлены следующие цели:
• расширение функциональных возможностей диспетчерского управления движением поездов, устройствами электроснабжения и электромеханическими устройствами;
• повышение оперативности диспетчерского управления на основе использования единой информационной базы, увеличения объёма оперативной информации и повышения её достоверности;
• эффективное использование каналов связи и технических средств;
• снижение эксплуатационных расходов за счёт унификации применяемого оборудования и системы технического обслуживания телемеханики;
• повышение точности выполнения графика движения поездов и работы эскалаторов за счёт более оперативной координации работы диспетчеров при организации технологической работы метрополитена.

Особенностью построения системы стала необходимость увязки со СМИС (система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений) для передачи информации о различных аварийных и предаварийных событиях технических объектов метрополитена.

Структура КАС ДУ

При реализации проекта КАС ДУ была применена классическая трёхуровневая структура систем диспетчерского управления (рис. 1): верхний, средний и нижний уровень.

На данную схему наложили свой отпечаток особенности Екатеринбургского метрополитена. Так иерархия КАС ДУ выполнена как по «вертикали», так и по «горизонтали», что уже видно из наличия трёх служб метро, имеющих диспетчерский аппарат. Отсюда структурно можно выделить подсистемы КАС ДУ по службам Ш, Э и ЭМ (по принадлежности технических средств).

В качестве линий связи между оборудованием верхнего и среднего уровней выступают волоконно-оптические (ВОЛС) и физические двухпроводные линии. Первая группа линий постепенно вытесняет вторую в ходе модернизации оборудования метрополитена.

Синхронизация времени выполнена на базе единого сервера времени метрополитена.

Верхний уровень вертикальной иерархии системы расположен в здании инженерного корпуса Екатеринбургского метрополитена и представляет собой три центра диспетчерского управления (центральных поста): центр управления движением поездов, центр управления и контроля энергообъектами и центр управления и контроля объектами электромеханической службы. Здесь же расположено оборудование СМИС.

В качестве аппаратов управления выступают автоматизированные рабочие места: поездного диспетчера – АРМ ДЦХ, энергодиспетчера – АРМ ЭД1 и диспетчера службы ЭМ – АРМ ДЭМ1. На рис. 2 представлен общий вид АРМ ДЦХ. Каждый АРМ выполнен по схеме со 100% «горячим» резервом и включает системный блок, манипулятор «мышь», клавиатуру, акустические колонки и средство отображения – мониторы или плазменные панели, расположенные на определённом расстоянии от стола диспетчера и установленные на металлических стойках. Данная компоновка средств отображения информации в совокупности с программным обеспечением позволяет каждому диспетчеру просматривать как весь полигон управления, т.е. все станции линии метро, так и укрупнённо отдельную станцию.

Рис.1 Структурная схема КАС ДУ

Рис.2 АРМ ДЦХ
Помимо АРМов диспетчеров на каждом центральном посту установлены АРМы для технического персонала: АРМ электромеханика службы СЦБ и связи, информационное рабочее место АРМ «ИНФ» службы Э и такой же АРМ для службы ЭМ. Указанные АРМы позволяют контролировать объекты соответствующей службы, а также формировать, сохранять, архивировать и просматривать графические и текстовые протоколы работы подсистем КАС ДУ (максимальный период – 60 суток). Для служб Э и ЭМ формируется только текстовый протокол работы, а для службы Ш – и графический и текстовый. Для служб Э и ЭМ графический протокол не эффективен, так как динамика изменения состояния устройств этих служб невелика по сравнению устройствами управления и контроля за движением поездов. Архив протоколов позволяет работникам служб разбирать и анализировать причины и последствия сбоев и отказов устройств, а также отрабатывать навыки действий при их возникновении.

Все АРМы связаны по локальной вычислительной сети на базе Ethernet со шкафами связи и шкафами управления и контроля (обработки каналов):

• для службы Ш – комплекс технических средств связи КТС САТДП (система автоматики и телемеханики движения поездов) и шкаф обработки каналов ШОК;
• для службы Э – комплекс технических средств связи КТС СЭ и комплекс технических средств обработки каналов КТС ОК ЭД1;
• для службы ЭМ – комплекс технических средств связи КТС СЭМ и комплексы технических средств обработки каналов КТС ОК ЭМ1 и КТС ОК ЭС1.

КТСы связи служат для организации цифровых каналов связи между уровнями КАС ДУ и на уровне центральных постов и включают в себя коммутаторы Cisco, патч-панели, оптический кросс, а также сервер для увязки со СМИС. На рис. 3 представлен общий вид шкафа КТС СЭ.

Рис.3 Шкаф КТС СЭ

КТСы и шкаф обработки каналов служат для организации аналоговых каналов связи по действующим линиям «старых» систем диспетчерского управления СКЦ-67 и «Лисна-Ч», а также для обработки и формирования всего массива сигналов и команд телеуправления ТУ и телесигнализации ТС, поступающих от и к АРМам. В состав оборудования данных шкафов входят источники питания, контроллеры, релейная схема переключения комплектов шкафа, модули дискретного ввода-вывода, модули преобразования интерфейсов, платы сопряжения с линиями связи и платы цифровой обработки сигналов.

Все указанные шкафы построены по схеме со 100% «горячим» резервом.

Для организации электропитания оборудования верхнего уровня КАС ДУ были установлены устройства электропитания на базе шины постоянного тока УЭП-МПК-М, в состав которых входит система бесперебойного питания (не менее двух часов работы), обеспечивающая непрерывность работы устройств КАС ДУ при перерывах и переключениях внешнего электроснабжения. Кроме этого УЭП-МПК-М осуществляет гарантированное электропитание обеспечивающих систем (кондиционирование воздуха). На рис. 4 представлен общий вид устройств электропитания УЭП-МПК.

Рис.4 УЭП-МПК-М

Дополнительно для нужд службы движения установлены АРМы системы автоматического построения нормативных и исполненных графиков движения поездов (АСП НГ и АСП ИГ соответственно).

Увязка с системой СМИС выполнена посредством отдельных серверов по каждой службе Ш, Э и ЭМ, а также дополнительного коммутатора, установленного в шкафу КТС СЭМ и связанного со шкафом СМИС по ЛВС.

Средний уровень КАС ДУ – станционный и включает в себя схожее оборудование АРМ, КТС и УЭП-МПК-М.

При этом оборудование подсистемы КАС ДУ по службе Ш – релейно-процессорная централизация ЭЦ-МПК – установлено на станциях «Проспект Космонавтов», «Геологическая», «Чкаловская» и «Ботаническая»;

оборудование подсистемы КАС ДУ по службе Э установлено на станциях «Ботаническая» и «Чкаловская»;

оборудование подсистемы КАС ДУ по службе ЭМ установлено на станциях «Уралмаш», «Уральская», «Динамо», «Чкаловская» и «Ботаническая».

В состав оборудования входит следующее:

• АРМы ДСП и АРМы ДСЦП (Рис. 5);
• АРМы электромехаников служб Ш и электромехаников служб ЭМ;
• шкафы связи КТС САТДП, КТС СЭ, КТС СЭМ;
• шкафы управления и контроля КТС УК АТДП, КТС УК Э, КТС УК ЭМ (Рис. 6);
• шкафы управления и контроля эскалаторными устройствами КТС УК ЭС;
• шкафы силовые КТС УКС ЭМ (в них установлены реле для увязки с нижним уровнем КАС ДУ по управлению) (Рис 7.);
• щиты удаленного контроля ЩУК (установлены для контроля устройств водопонижения станций «Чкаловская» и «Ботаническая»);
• шкаф управления тоннельной вентиляцией ШУТВ (установлен в одной из тоннельных камер для увязки по управлению и контролю вентиляционного агрегата с частотным приводом);
• устройства электропитания УЭП-МПК-М.

Рис.5 АРМ ДСЦП и АРМ ДСП

Рис.5 Шкаф КТС УК ЭМ

Рис.7 Шкаф КТС УКС ЭМ

АРМы, шкафы связи, управления и контроля выполнены по схеме со 100% «горячим» резервом.

В состав шкафов КТС УК входят источники питания, контроллеры, релейная схема переключения комплектов шкафа, модули преобразования интерфейсов, коммутаторы, а также устройства сопряжения с объектами: по управлению – платы УДО (устройство дискретных окончаний), по контролю – платы УМВ (устройство матричного ввода).

Указанное оборудование, в зависимости от назначения, расположено в помещениях дежурных, релейных, машинных залах эскалаторов, щитовых и объединено в ЛВС в пределах станции. При этом на станции «Чкаловская» КТС управления и контроля эскалаторными устройствами соединён со шкафом связи посредством ВОЛС (с установкой медиаконвертеров) из-за большого расстояния между помещениями.

Нижний уровень КАС ДУ – это объекты управления и контроля, перечень которых был представлен выше. Увязка таких объектов по управлению со средним уровнем производится несколькими способами:

— Прямопроводное управление (рис. 8): с АРМа команда поступает в КТС УК, в котором на соответствующей плате УДО срабатывает твердотельный ключ и замыкает цепь включения электромагнитного реле из схемы управления объектом. Данный способ применяется в подсистемах КАС ДУ по службе Ш и ЭМ;

Рис.8 Прямопроводное управление

— Прямопроводное управление через силовой шкаф (рис. 9): то же самое, что и ранее, но твердотельный ключ замыкает цепь включения электромагнитного реле в силовом шкафу КТС УКС, контакты которого в свою очередь замыкают цепь включения электромагнитного реле из схемы управления объектом. Данный способ применяется в подсистеме КАС ДУ по службе ЭМ;

Рис.9 Прямопроводное управление через силовой шкаф

— Управление через цифровой стык (рис. 10): в этом случае шкаф КТС УК связан с объектом управления цифровой линией связи интерфейса RS-485 или посредством модемов. Данный способ применяется в подсистемах КАС ДУ по службе Э и ЭМ.

Рис.10 Управление через цифровой стык

Увязка по контролю также выполнена несколькими способами:

— Прямопроводный контроль (рис. 11): в результате замыкания контакта электромагнитного реле из схемы контроля состояния объекта на соответствующую ячейку платы УМВ, расположенной в шкафу КТС УК, подаётся полюс питания. Данный способ применяется в подсистемах КАС ДУ по службе Ш и ЭМ;

Рис.11 Прямопроводный контроль

— Прямопроводный контроль через промежуточное реле (рис. 12): то же самое, что и прямопроводный контроль, но полюс питания подаётся на ячейку платы УМВ при замыкании контакта промежуточного контрольного реле, расположенного на релейном стативе рядом со шкафом КТС УК. Питание на обмотку этого реле подаётся в результате замыкания контакта электромагнитного реле из схемы контроля состояния объекта. Данный способ применяется в подсистемах КАС ДУ по службе ЭМ;

Рис.12 Прямопроводный контроль через промежуточное реле

— Контроль через цифровой стык: аналогично увязке по управлению посредством интерфейса RS-485 или модемов. Данный способ применяется в подсистемах КАС ДУ по службе Э и ЭМ.

Приведённое многообразие способов увязки по управлению и контролю обусловлено особенностями объектов нижнего уровня КАС ДУ, объёмом информации и удалённостью от шкафов КТС УК.

Принцип действия КАС ДУ

Работа каждой подсистемы КАС ДУ основывается на установленных технологических процессах метрополитена. Диспетчер или дежурный, используя соответствующий АРМ, посылает команды управления и следит за их реализацией. При этом сами команды управления формируются по-разному, вот несколько примеров:

1) Поездной диспетчер или ДСЦП, в ходе управления движением поездов, задаёт маршрут движения поезда. Разграничение уровней управления «диспетчер-дежурный» производится на уровне программного обеспечения с приоритетом диспетчера. Для этого он указывает на точку начало маршрута – светофор и точку конца маршрута – другой светофор, станционный путь или путь перегона. После этого происходит реализация маршрута: перевод стрелок по трассе и открытие разрешающего показания на светофоре в начале маршрута. При необходимости имеется возможность сформировать команду на автоматическое задание подобного маршрута, например на конечных станциях, для оборота поезда через тупиковые пути. Таким образом, существенно сокращается нагрузка на персонал службы движения.

2) Энергодиспетчер после окончания работы метро и заезда последнего электропоезда в депо должен отключить подачу напряжения 825 В с контактного рельса для возможности работы в тоннелях работников метро ночью. Для этого он посредством АРМ ЭД1 посылает программную команду на снятие напряжения по всей линии. Данная команда передаётся на все станции, где происходит отключение распределительных устройств 825 В и включение специального заземлителя. Соответственно утром при помощи обратной программной команды происходит обратный процесс.

3) Диспетчер службы ЭМ или дежурный при работе с установками тоннельной вентиляции должны соблюдать временной интервал при изменении режима работы вентиляторов, например, с притока на вытяжку. Подсистема КАС ДУ по службе ЭМ позволяет персоналу не отсчитывать такие интервалы вручную, а автоматически формирует их, посылая определённые команды на смену работы установок.

В КАС ДУ имеется возможность выдачи предупреждающих сообщений на экраны АРМов при недопустимых действиях персонала, а также формирование речевых сообщений при возникновении особых и (или) аварийных ситуаций. Данная функция особенно важна при относительно невысокой динамике изменения состояния объектов контроля, особенно тех, которые долгий период времени должны работать в установившемся режиме, например, насосы водопонижения на станциях.

Графическое отображение объектов на АРМ соответствует общепринятым условным обозначением и дополнительно адаптировано под нужды Екатеринбургского метрополитена. На рис. 13–16 представлены снимки экранов различных АРМ.

Рис.13 Скриншот АРМ ДСЦП

Рис.14 Скриншот АСП ИГ

Рис.15 Скриншот экрана АРМ ЭД1

Рис.16 Скриншот экрана АРМ ДСП

Эффект от внедрения и использования КАС ДУ

Планомерное внедрение современных программно-аппаратных средств, на базе которых построена КАС ДУ, позволило работникам метрополитена получить унифицированную и построенную на единой платформе систему для управления разнообразными технологическими процессами, имеющую средства для увязки по цифровым каналам связи и возможность глубокой диагностики текущего и прогнозируемого состояния.

Возможность ведения протоколов позволило более чётко фиксировать все сбои и неисправности подконтрольных устройств, что не могло не сказаться на общем уровне работы сотрудников, отвечающих за эксплуатацию и ремонт объектов нижнего уровня КАС ДУ.

Функция формирования отчётных документов упростила взаимодействие с другими организациями – поставщиками энергоресурсов.

В целом, внедрение комплексной автоматизированной системы диспетчерского управления существенно повысило качество эксплуатации оборудования Екатеринбургского метрополитена и привело к положительным результатам.