Nova rješenja za uključno/isključne kontakte za željezničko-cestovne prijelaze

31. srpnja 2007.

Sažetak: Mnogi sustavi željezničko cestovnih prijelaza koji su danas u funkciji koriste točkastu dvokanalnu detekciju kotača vlaka za uključenje/isključenje cestovnog prijelaza, obično kombiniranu sa kratkim audio-frekvencijskim izoliranim odsjekom, petljom ili kratkim brojačkim odsjekom za detekciju zaustavljanja vlaka u području ceste. Danas ima i boljih rješenja za aktiviranje/deaktiviranje cestovnog prijelaza, npr. upotrebom 2 ili 3 odsjeka brojača osovina (po jednom kolosijeku) koji pokrivaju kompletno područje od točke uključenja sa jedne strane, područje samog prijelaza, pa sve do točke uključenja sa druge strane cestovnog prijelaza. I u istočnoj i u zapadnoj Europi još uvijek ima u funkciji mnogo starijih sustava cestovnih prijelaza koji koriste točkastu detekciju kotača vlaka (bez brojanja osovina) za uključenje/isključenje cestovnog prijelaza i većina tih prijelaza biti će još u funkciji slijedećih 10, 20 godina, a neki čak i više. Mnogo se različitih sistema detekcije kotača upotrebljava na takvim cestovnim prijelazima: od mehaničkih pedala i magnetskih tračničkih kontakata sa relejnim izlaznim kontaktom do elektroničkih induktivnih senzora kotača kakvi se koriste u modernim sustavima brojača osovina. Sustav detekcije kotača (tračnički kontakt) UTR/ITR baziran na elektroničkom induktivnom senzoru željezničkog kotača ZK24-2 je novo rješenje za zamjenu mehaničkih pedala i magnetskih kontakata, kao i za implementaciju u nove sustave željezničko cestovnih prijelaza.

 

1. Uvod

U jugoistočnoj Europi većina trenutno instaliranih putnih prijelaza bazira se na starim relejnim sustavima koji za uključivanje/isključivanje koriste točkaste dvokanalne detekcije kotača. Takvi putni prijelazi su instalirani tokom 1960-tih i 1970-tih, i većina njih još koristi stare Siemensove magnetske detektore kotača sa reed-relejima (dva detektora po uključnoj točki sa svake strane ceste i dva detektora po isključnoj točki), ili Silec mehaničke pedale. Operacija takvih magnetskih detektora bazira se na permanentnom magnetizmu i dobrom stanju kontakata reed-releja, koji je ugrađen u uređaju i montiran na tračnici. U tako dugom operativnom vijeku (>30 godina), trajni magneti gube snagu magnetskog polja, a kontaktni materijali reed-releja se poprilično istroše. Održavanje i servis magnetskih detektora je iz godine u godinu sve teže, a broj kvarova se zadnjih godina povećao.

Kao zamjena za te magnetske detektore kotača tvrtka Altpro je razvila sustav detekcije kotača UTR, koji koristi dvokanalni elektronički senzor kotača ZK24-2, koji je već provjeren u sustavima brojača osovina BO1 i BO23. Budući da senzor kotača ZK24-2 ima dva odvojena senzorska sustava u istom kućištu, jedan senzor ZK24-2 sa pripadajućim relejnim prilagodnim modulom UTR245 može zamijeniti dva magnetska detektora kotača.

2. Senzorski sustav detekcije kotača UTR kao zamjena za stare magnetske detektore

Elektronički senzori kotača obično nemaju isti princip slanja izlazne informacije o prisustvu kotača kao magnetski detektori i mehaničke pedale; senzori obično imaju strujni ili naponski izlaz, a magnetski detektori imaju relejni kontakt. Za direktnu zamjenu magnetskih detektora sa elektroničkim senzorom na relejnom putnom prijelazu potrebna je prilagodba strujnog ili naponskog signala u relejni ili optocouplerski kontat. Slika 1 prikazuje kako je izveden uključni kontakt za cestovni prijelaz (na primjer na lijevoj strani od ceste) upotrebom sustava detekcije kotača UTR.

Slika 1: Sustav detekcije kotača UTR

Kao što je prikazano na slici 1, sustav detekcije kotača UTR sastoji se od senzora kotača ZK24-2 na uključnoj točki na pruzi i prilagodnog modula UTR245 smještenog u kućici putnog prijelaza, koji daje relejne i optocouplerske izlaze. Modul zaštite od grmljavine ZUT je spojen između senzora i prilagodnog modula zbog zaštite prilagodnog modula UTR245 i ostatka putnog prijelaza od prenapona udara groma. Za spoj unutarnjeg i vanjskog dijela sustava (udaljenost može biti do 2 km, ovisno o brzini vlaka) koriste se dvije žice po senzorskom sustavu senzora ZK24-2, odnosno ukupno četiri žice. U slučaju zamjene magnetskih ili mehaničkih kontakata, ista infrastruktura je već prisutna, jer se za uključivanje putnog prijelaza koriste dva kontakta (sa svake strane ceste) zbog sigurnosnih razloga (ILI-logika: aktivacija bilo kojeg kontakta uključuje putni prijelaz, ali ako je samo jedan kontakt aktiviran, putni prijelaz objavljuje smetnju). Svaki magnetski detektor je spojen preko jedne parice (2 žice), tako da prilikom zamjene senzorom ZK24-2 već postoje dvije parice na svakoj uključnoj točki na putnom prijelazu.

3. Senzor kotača ZK24-2

Senzor kotača ZK24-2 je razvila tvrtka Altpro uz brojač osovina BO1 i koristi se kao komponenta za detekciju kotača u sustavima brojača osovina BO23 i BO1, koji su godinama ugrađeni u stalnom radu unutar APB-a na Hrvatskim željeznicama. Hrvatske željeznice su nedavno odlučile zamijeniti stare magnetske detektore na relejnim putnim prijelazima i Altpro je razvio prilagodni modul UTR245 kako bi mogao spojiti senzor kotača ZK24-2 na relejni putni prijelaz u cilju zamijene magnetskih detektora.

Vrlo važan zahtjev je da senzorski sustavi (H i L, vidi sliku 1) u senzoru budu potpuno odvojeni, i funkcionalno i galvanski, kako bi mogli zamijeniti dva magnetska detektora samo jednim senzorom ZK24-2. Svaki senzorski sustav radi zasebno i baziran je na induktivnom principu sa različitim frekvencijama magnetskih polja za svaki sustav. Elektronički krugovi za evaluaciju signala kotača za svaki sustav su već integrirani u kućištu senzora i zaliveni specijalnom masom zbog IP68 zaštite od vode. Po dvije žice ovog četverožičnog sustava su namijenjene svakom senzorskom sustavu; preko dvije žice svaki sustav prima DC napajanje i preko istih tih žica daje signal kotača putnom prijelazu. Signal je DC strujna petlja sa višom strujom bez prisustva kotača i nižom strujom kada je kotač prisutan iznad senzora. Strujna petlja omogućava vrlo veliku udaljenost između senzora ZK24-2 i prilagodnog modula UTR245. Na primjer, uz promjer žice 0,9mm najveća udaljenost je 17,8km.

Slika 2: Senzor željezničkog kotača ZK24-2

Senzor ZK24-2 je montiran sa unutarnje strane tračnice na univerzalnom nosaču pričvršćenom na dnu tračnice (slika 2). Nema potrebe za bušenjem tračnica, a isti se nosač može koristiti na šinama tipa S45…S49…UIC54…UIC60 (uključujući tipove između navedenih).

Velika prednost senzora kotača ZK24-2 je vrlo jednostavna i brza montaža i održavanje. Montaža ne zahtjeva električna podešavanja (nema potenciometara ili sličnih podešavanja); zahtjeva se samo mehanička prilagodba uz upotrebu plastične šablone. Održavanje se svodi na šest-mjesečne preglede pozicije uz upotrebu šablone. U slučaju da senzor iz nekog razloga otpadne od tračnice, oba sustava će kao izlazni signal dati trajno nisko strujno stanje (fail-safe).

4. Prilagodni modul UTR245

Prilagodni modul UTR245 ima dva galvanski odvojena kanala koji pretvaraju strujnu petlju svakog sustava senzora ZK24-2 u izlaze sigurnosnih releja i optocouplera (slika 1). Kućište UTR245 modula je predviđeno za montažu na DIN-šinu (99.7mm široka kutija) ili panel bilo gdje u kućici putnog prijelaza. Slika 3 prikazuje tri prilagodna modula UTR245/ITR245 sa modulima zaštite od grmljavine (također na DIN-šini) montirana na jednom putnom prijelazu Hrvatskih željeznica (dva dvostruka senzora kotača za uključivanje i jedan za isključivanje).

Slika 3: Prilagodni moduli UTR245/ITR245 montirani u kućici putnog prijelaza

Postoji 3 tipa izlaza na svakom kanalu na UTR245 modulu: dva optocouplerska izlaza i jedan sigurnosni relej. Jedan optocouplerski izlaz daje impuls za svaki kotač koji prelazi preko senzora. Sigurnosni releji se uključuju na prolaz prvog kotača vlaka i vraćaju u osnovno stanje sa zadrškom (5s, prilagodljivo prema zahtjevima korisnika) nakon prolaza zadnjeg kotača. Drugi optocoupler radi isto kao i sigurnosni relej, ali samo u jednom smjeru prolaza vlaka. Takav optocoupler na drugom kanalu radi samo za suprotan smjer prolaza vlaka od onoga na prvom kanalu.

Kontakti sigurnosnog releja su prikladni za spajanje sa starijim relejnim sustavima putnih prijelaza; upotrebom relejnih izlaza sustav detekcije kotača UTR može direktno zamijeniti magnetske ili mehaničke kontakte, koji također imaju relejne kontakte kao izlaz. Na prilagodnom modulu UTR245 predviđena su po dva galvanski izolirana preklopna kontakta sigurnosnih releja (bez potencijala) na svakom kanalu. Budući da se sustav može koristiti bilo za uključivanje, bilo za isključivanje putnog prijelaza, postoje dva tipa prilagodnih modula: UTR245 i ITR245. Jedina razlika između ta dva tipa je da modul UTR245 ima sigurnosne releje privučene u osnovnom stanju (kada nema kotača iznad senzora), a modul ITR245 ima sigurnosne releje otpuštene u osnovnom stanju. Sustav detekcije kotača (UTR) sa prilagodnim modulom UTR245 je, dakle, predviđen za uključivanje putnog prijelaza, a sustav detekcije kotača (ITR) sa prilagodnim modulima ITR245 je predviđen za isključivanje putnog prijelaza.

Prilagodni modul UTR245 također osigurava optimalno napajanje za senzor kotača ZK24-2 (48V DC, odvojeno napajanje za svaki kanal). Napajanje za svaki sustav senzora je galvanski izolirano od glavnog napajanja kanala (15V…36V DC) i  ima trajnu zaštitu od kratkog spoja.

5. Aplikacija

Osim za zamjenu mehaničkih i magnetskih kontakata (što je bio glavni razlog za razvoj) koji se uglavnom koriste na relejnim putnim prijelazima, sustav detekcije kotača UTR se može upotrijebiti i u novijim, mikroprocesorskim putnim prijelazima. Postoje impulsni optocouplerski izlazi na svakom kanalu koji daju impuls za svaki kotač koji prelazi preko senzora, i mikroprocesorski sustav može koristiti te signale za brojanje osovina, određivanje smjera kretanja itd. Određivanje smjera čak i ne mora biti implementirano u software sustava jer prilagodni modul UTR245 ima i optocouplerske izlaze ovisne o smjeru. Jedan se izlaz aktivira samo kretanjem od sustava H prema sustavu L na senzoru ZK24-2, a drugi se izlaz aktivira samo kretanjem od sustava L prema sustavu H. Upotrebom oba optocouplerska izlaza, onog ovisnog o smjeru i impulsnog, na oba kanala (ukupno 4 digitalna ulaza u mikroprocesorski sustav po točki detekcije kotača) može se software putnog prijelaza učiniti vrlo jednostavnim i sigurnim.

Slika 4: Senzor kotača ZK24-2 kao zamjena za stare magnetske detektore (još nisu skinuti – sa lijeve strane) na relejnom putnom prijelazu

Postoje mnoge strukture hardware-a na sustavima putnih prijelaza; mnogi sustavi imaju dva potpuno odvojena hardware-ska kanala uključujući napajanje i baterije. Napajanja kanala su na nekim tipovima putnih prijelaza međusobno galvanski odvojena. Sustav detekcije kotača UTR ima i u senzoru kotača i u prilagodnom modulu dva galvanski izolirana kanala, tako da jedan kanal može biti spojen na jedno napajanje putnog prijelaza, a drugi na drugo. Primjer za ovo su relejni putni prijelazi Hrvatskih željeznica; imaju dva potpuno odvojena sustava sa zasebnim napajanjima za svaki sustav, i po jedan magnetski detektor je predviđen na uključnoj točki za svaki sustav (ukupno dva detektora po uključnoj točki). Zahvaljujući galvanskom odvajanju kanala u sustavu detekcije kotača UTR, oba magnetska detektora mogu biti zamijenjena sa samo jednim senzorom kotača ZK24-2 i prilagodnim modulom UTR245.

Postoje mnogi drugi signalni sustavi gdje može biti korišten sustav detekcije kotača UTR, i u sigurnosnim i ne-sigurnosnim sustavima. Vrlo praktično rješenje je koristiti sustav detekcije kotača UTR za najavu vlakova u stanicama. Najavu je obično potrebno obaviti (zvonom ili svjetlom) operateru stanice kada je vlak na udaljenosti od 3km od stanice, ali samo u smjeru stanice, ne i suprotnom (odlazni vlakovi). Jedan izlaz ovisan o smjeru na prilagodnom modulu UTR245 može se direktno koristiti za najavu vlaka jer će se izlaz aktivirati samo kod jednog smjera kretanja vlaka.

 

6. Zaključak

Kod zamjene starih mehaničkih ili magnetskih detektora kotača sa sustavom detekcije kotača UTR postoji nekoliko prednosti:

  • Puno jednostavnije održavanje i manji broj kvarova (nema mehaničkih pokretnih dijelova ili permanentnih magnetskih polja)
  • Puno duži životni vijek izlaznih sigurnosnih releja (aktivnost releja za cijeli vlak, a ne za svaku osovina)
  • Puno sigurnija fail-safe funkcija u slučaju otpadanja od tračnice
  • Manje opreme na tračnici (jedan senzor ZK24-2 zamjenjuje dva magnetska/mehanička detektora kotača)
  • Nema ograničenja brzine 160km/h (kao kod magnetskih detektora) jer je najveća brzina za senzor ZK24-2 350km/h
  • Zaštita od kratkog spoja, na primjer fail-safe stanje u slučaju kratkog spoja parice na pruzi; magnetski detektori sa reed-relejom na pruzi mogu doći u trajno nesigurno stanje u slučaju kratkog spoja na parici.

Zamjena starih uređaja i mogućnost aplikacije u novim, mikroprocesorskim signalnim sustavima čini sustav detekcije kotača UTR/ITR vrlo univerzalnim rješenjem u željezničkoj signalno-sigurnosnoj tehnici.

Literatura:
  1. Sustav detekcije vlaka UTR/ITR, Uputstvo za korištenje, Altpro, Zagreb 2006
  2. Multiple Applications with a Single Subrack of Multi-section Axle Counter BO23, Hrvoje Horvat, Signal+Draht 07+08/2006

ALTPRO na Međunarodnom sajmu željezničke tehnologije (IAF)