Elektrická trakce 9 Řízení vozidel Obsah

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel Obsah 22.6.2004 ETR900.doc

Doc. Ing. Jiří Danzer CSc.

ELEKTRICKÁ TRAKCE 9. ŘÍZENÍ VOZIDEL

Obsah 1

Úvod ..................................................................................................................................................3

2

Přenos informací na vozidlo ..............................................................................................................7 2.1

Liniový vlakový zabezpečovač LS II-IV, LS 90 ......................................................................... 9

2.2

ARS – metro Praha ................................................................................................................. 10

2.3

Indusi I 60, PZb 80 .................................................................................................................. 11

2.4

JZG 700 – Ericsson................................................................................................................. 12

2.5

Zařízení ZUB -Siemens........................................................................................................... 13

2.6

PA 135 – Matra ....................................................................................................................... 14

2.7

Zařízení LZB - Siemens .......................................................................................................... 15

2.8

ERTMS/ETCS ......................................................................................................................... 16

2.9

Bezdrátové radiové spojení .................................................................................................... 20

2.10 3

4

5

Magnetické informační body pro AVV ................................................................................. 20

Stanoviště ....................................................................................................................................... 22 3.1

Pracovní podmínky ................................................................................................................. 22

3.2

Uspořádání stanoviště ............................................................................................................ 25

3.3

Ovladače ................................................................................................................................. 31

3.4

Sdělovače ............................................................................................................................... 34

Řízení jízdy ..................................................................................................................................... 40 4.1

Dynamika jízdy a tachogramy ................................................................................................. 40

4.2

Spotřeba energie ..................................................................................................................... 45

4.3

Řízení tažné/brzdné síly, zrychlení ......................................................................................... 47

4.4

Řízení rychlosti ........................................................................................................................ 50

4.5

Cílové brzdění ......................................................................................................................... 53

4.6

Výběh a optimalizace jízdy ..................................................................................................... 55

Automatizace řízení........................................................................................................................ 58 5.1

Systém řízení u ČD ................................................................................................................. 58

5.1.1

Regulátor tahu ................................................................................................................. 59

5.1.2

Regulátor rychlosti ........................................................................................................... 61

-1-

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel Obsah 5.1.3 5.2 6

Cílové brzdění a optimalizace jízdy; ................................................................................ 63

Automatické řízení vozidel metra ............................................................................................ 64

Literatura ........................................................................................................................................ 66

-2-

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 1. Úvod

1 ÚVOD Podobně jako ostatní témata v elektrické trakci využívá i řízení poznatky z celé řady technických a navíc i dalších, netechnických oblastí. Navíc podle znalostí autora není tato problematika v dosažitelné literatuře souhrnně zpracována a proto následující text je třeba posuzovat jako první pokus o utřídění a výklad zkušeností a poznatků v tomto oboru. Pojem řízení a regulace je pro technické systémy definován. Oba pojmy se liší v zásadě existencí zpětné vazby v případě regulace. Při řízení vozidel ale přistupuje velmi významný lidský činitel, který dnes a v mnoha případech i v budoucnu bude zřejmě nenahraditelný. Proto v dalším budeme chápat obecněji (a nepřesně) řízení jako činnost pro dosažení daného cíle. Pro tuto činnost je třeba mít k dispozici jednak potřebné informace, jednak přiměřené nástroje (zařízení).

Obr. 1 Základní struktura řízení (blok_1.dwg) Informace mohou být obsaženy jednak v paměti, jednak jsou získávány více méně průběžně v během procesu řízení. Týkají se především zmíněného cíle, momentálních prostředků (možnosti zařízení) pro jeho dosažení, které jsou k dispozici a informací o okolí, jeho vlivech na proces řízení. Tyto informace je třeba zpracovat a na základě jejich zpracování rozhodovat. Při tom je nutno přirozeně rozhodovat „v reálném čase“ a nesprávné rozhodnutí může mít až katastrofální následky. Právě ve způsobu rozhodování jsou vlastnosti člověka a „stroje“ zásadně odlišné: •

technická zařízení používají různých předem daných a různě realizovaných algoritmů, které

udávají řešení předvídaných situací; „rozhodnutí“ (odezva) zařízení jsou obyčejně rychlejší, přesná a v odpovídajících situacích vždy stejná, •

člověk se sice ve standardních situacích řídí také algoritmy (školení, předpisy apod., které

jsou obecně stejné „pro všechny“), jinak však není obecně zaručeno, že každý bude postupovat vždy

-3-

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 1. Úvod stejně (individuální zkušenosti, schopnosti, momentální dispozice). Na druhé straně je člověk schopen řešit nesrovnatelně širší škálu problémů a rozhodovat se na základě intuice, odhadu, zkušenosti. Strukturu činností při řízení vozidla můžeme velmi zhruba znázornit podle Obr. 1. Podmínkou řízení jak bylo uvedeno dříve je zřejmě vždy existence zpětné vazby (jak zjistit, zda se blížíme k cíli?). Ta je ale v daném případě realizována pouze zčásti technickými prostředky jak je schématicky znázorněno v Obr. 1. Poměr mezi rozsahem obou způsobů souvisí bezprostředně s tím, do jaké míry lze provoz vozidla algoritmizovat, do jaké míry lze předvídat možné provozní situace. Čím jsou podmínky provozu složitější, tím obtížněji lze čistě technickými prostředky (algoritmicky) zaručit vždy správné reakce zařízení a tím větší míru rozhodování musí proto převzít člověk, řidič nebo strojvedoucí. Významná je při tom také úplnost a spolehlivost informací, které jsou oběma způsoby získány. Při neúplné, ne zcela spolehlivé (odporující jiným okolnostem, běžnému nebo očekávanému stavu apod.) případně nepřesné informaci může zřejmě člověk spíše nalézt vhodné řešení než zařízení. Problematiku tedy můžeme rozdělit na několik dílčích složek •

možnosti, schopnosti a další specifické vlastnosti člověka jako hlavní „součásti“

„netechnické“ zpětné vazby, •

řešení „rozhraní“ mezi „člověkem a strojem“ (MMI Man Mashin Interface), prakticky provedení

stanoviště, •

vlastní technické zařízení jeho možnosti, omezení,

•

přenos a zpracování informací v zařízení.

Vlastnostem technického zařízení byly v podstatě věnovány všechny předchozí díly a proto se o něm zmíníme jen okrajově a ve výkladu budeme předpokládat obecně vozidlo s plynulou regulací v jízdě a brzdění bez dalšího rozlišení. Vlastnostem člověka ve vztahu k řízení vozidla se věnují speciální obory (například inženýrská psychologie, ergonomie, hygiena práce). Tato problematika, jakkoliv významná, se zcela vymyká zaměření těchto skript a poučení je třeba hledat ve specializované literatuře. Pouze s ohledem na požadavky provedení stanovišť uvedeme některé údaje převzaté z [1], kde je také uvedena další literatura. Činnost člověka při řízení lze rozdělit na informační, rozhodovací a pohybovou. Hlavním zdrojem informací je zrak, kterým jsou vnímány informace z výhledu i údaje sdělovačů. Schopnost správně rozpoznat optický signál závisí na velikosti, kontrastu a jasu „předmětu“ ve vzájemné závislosti podle Obr. 2 („velikostí“ se v této souvislosti rozumí úhel, po kterým pozorovatel „předmět“ vidí v úhlových minutách nebo stupních).

-4-


Obr. 2 Vztah mezi jasem, kontrastem a velkostí předmětu (jas.bmp) 2

Odtud je vidět, že optimální hodnota jasu je asi 500 cd/m , vyšší již způsobují oslnění. Při tomto jasu a kontrastu asi 13% lze vnímat předmět pod úhlem 2´, při kontrastu menším je potřebný úhel větší (větší „předmět“ nebo menší pozorovací vzdálenost). Statická ostrost zraku se také výrazně snižuje směrem od osy přímého vidění (Obr. 3). V ose pohledu lze rozlišit asi 1´, u periferního vidění asi 10´. Periferní vidění je ale citlivější na vnímání pohybu (rozlišitelný pohyb asi 1´/s, jde o „zděděný výstražný systém“).

Obr. 3 Závislost zrakové ostrosti na úhlu od osy přímého pohledu (ostrost.bmp) Výsledkem podobných úvah je pak doporučení, že například •

znaky na displeji musí mít dostatečný jas a být kontrast bez odrazů,

•

mezi dílky stupnic by měla být „vzdálenost“ alespoň 2,5´,

•

osvětlení přístrojů by mělo být alespoň v úhlu 45°nad úhlem pohledu aby nedocházelo k

oslnění (prakticky nezvládnutelné je přímé sluneční světlo, dopadající na displeje). Rovněž údaje o rychlosti při změně zaměření pohledu mohou být důležité. Doba pro zaměření v oblasti centrálního vidění je asi 20…50 ms. Závislost reakční doby na „vzdálenosti“ cíle ukazuje Obr. 4.

-5-


Obr. 4 Doba reakce při změně "cíle" (pohyb.bmp) Vynecháme činnost rozhodovací, která s technikou přímo nesouvisí. Důležité jsou pohybové možnosti, především rukou. Ty jsou rozhodující především pro uspořádání ovladačů na stanovišti (viz dále). Pro posouzení možností člověka při reakci na signály uveďme alespoň údaj o rychlosti reakce na zvukové podněty 120…150 ms, na světelné podněty asi 150…200 ms [2], [3]. Další údaje lze získat v odborné literatuře, například [2], [3] a v normách a předpisech. Ty úmyslně uváděny nejsou, protože se poměrně rychle mění.

-6-

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 2. Přenos informací na vozidlo

2 PŘENOS INFORMACÍ NA VOZIDLO Významný rozdíl proti stacionárním zařízením představuje nutnost přenosu informací z proměnlivého okolí na pohyblivé vozidlo. Vozidlo většinou „sdílí okolí“ s jinými vozidly, zařízeními, přepravovanými nebo jinak přítomnými osobami atd., které jsou často také v pohybu. Toto okolí představuje pro konkrétní vozidlo nadřazený systém. Bezkonfliktní „sdílení“ společného prostoru s ostatními uživateli zajišťují jednak informace, uložené v paměti (obsluhy i zařízení, například pravidla silničního provozu, dopravní, návěstní a další obdobné předpisy, omezení maximální rychlosti aj.) a proměnné informace, předávané na vozidlo. Jedná se především o informace pro obsluhu (řidiče, strojvedoucího). Ty mohou být získány •

přímo sledováním okolí ( „přes okno“, pozorováním provozu, návěstí atd.), a/nebo

•

sledováním přístrojů, které přenášejí informace na vozidlo technickými prostředky (například

návěstním opakovačem, dispečerským rozhlasem apod., analogie „letu naslepo“, podle přístrojů). První případ umožňuje získat velmi široké a různorodé informace (často zbytečné) a jejich přenos závisí na moha vnějších okolnostech, které mohou přenos ztížit nebo i znemožnit (snížená viditelnost apod.). V druhém případě je přenos na těchto okolnostech prakticky nezávislý a tedy spolehlivější, jde ovšem vždy o relativně omezený výběr údajů. V obou případech je informována obsluha a výhradně na její úvaze (pozornosti, zkušenosti, pohotovosti atd.) závisí povely, vydávané pro zařízení vozidla. Jde tedy vždy za informace nezabezpečené ve smyslu zabezpečovací techniky a to ovšem i v případech, kdy samotná informace (například

poloha

návěstidel)

je

generována

bezpečným

způsobem

(například

traťovým

zabezpečovacím zařízením). Další skupinu představují informace přenášené bezprostředně do zařízení vozidla, a to informace zabezpečené. Zabezpečený přenos podléhá velmi přísným požadavkům a musí mj. zajistit, že při poruše nebude ohrožena bezpečnost (fail safe). Technické zabezpečení tohoto požadavku je poměrně komplikované a jeho řešením se zabývá zabezpečovací technika. V dalším uvedeme jen přehled hlavních způsobů se zřetelem k řízení vozidel. Bezpečným způsobem se na vozidlo přenáší obyčejně jen omezený počet informací. Pro provozní využití je totiž nutno vybavit zabezpečovacím zařízením přiměřeně dlouhý traťový úsek a všechna vozidla, která se na něm mají pohybovat, což je ekonomicky velmi náročné. Takto získané informace mají při tom charakter ochran (dohled), omezují prostor pro rozhodnutí obsluhy. Proto musí být tyto informace zabezpečeny a nadřazeny rozhodnutím obsluhy, přinejmenším v normálních provozních podmínkách. Jakékoliv výjimky jsou velmi bedlivě posuzovány (srov. s preferencí brzd v díle 8. Elektrické ovládání brzd), a ošetřeny v předpisech (tedy nezabezpečeně). Zařízením tohoto druhu nejsou různé způsoby kontroly bdělosti strojvedoucího. Spočívají nejčastěji v povinnosti trvale nebo za určitých provozních situací obsluhovat tlačítka nebo pedály bdělosti, („živák“, „Totmann“, apod.). V případě, že toto zařízení není správně obsluhováno, přenáší se do zařízení přesně vzato pouze informace, že strojvedoucí se neřídí předpisy, možná není schopen vozidlo řídit a to má za následek zpravidla nouzové brzdění. Často bývají tato zařízení

-7-

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 2. Přenos informací na vozidlo součástí zařízení složitějších pro případ jejich poruchy nebo umožňují jízdu v mimořádných případech. Příklady jsou uvedeny dále. V novějších zařízení se využívá složitějších způsobů kontroly. V zařízení KLUB – MTS (Rusko) se sleduje kožně-galvanická reakce speciálním náramkem s bezdrátovým spojením s vyhodnocovacím zařízením na stanovišti. Potřeby jednotlivých typů vozidel a také možnosti využití přenesené informace se velmi liší podle charakteru provozu. Jako krajní příklady lze uvést na jedné straně provoz na metru (jeden druh vozidel, vlastní oddělený provozní prostor, paralelní grafikon, pouze doprava osob atd.) a na druhé straně řízení trolejbusů nebo tramvají v městském pouličním provozu. Přenosem signálů z trati na vozidlo se zabývá široce zabezpečovací technika. Ta představuje samostatný obor, z něhož bez nároků na přesnost a úplnost vybíráme několik informací, které se týkají přenosu informací z trati na vozidlo. V zásadě rozeznáváme •

přenos liniový, kdy je informace přenášena na vozidlo průběžně například kódovanými

proudy v kolejových obvodech, nebo v kabelových smyčkách uložených v kolejišti, nejnověji pak zabezpečeným (zpravidla obousměrným) bezdrátovým digitálním přenosem, •

přenos bodový, kdy se přenos nebo i výměna informací mezi vozidlem a tratí (pevným

stanovištěm) děje v určitém, přesně definovaném bodě trati (tím je zároveň určena okamžitá poloha vozidla na trati). Hlavní výhodou liniových systémů je trvalý přenos informace, který je spolehlivější a operativnější než bodový.--. Pomocí bodového přenosu informace lze určit vozidlu přesně polohu na trati.. Optimální je přirozeně kombinace obou systémů, která je základem moderních systémů. Prakticky všechna dále zmíněná zařízení jsou schopna přenášet na vozidlo návěstní znaky nejbližšího návěstidla ve směru jízdy vozidla. Dokonalejší často využívanou možností je kontrola rychlosti buď jen v případech, kdy je ji třeba ji snižovat (k místu se sníženou rychlostí nebo k místu zastavení) nebo průběžně (maximální traťová ev. vlaková rychlost v úseku). Možnosti přímého zásahu do zařízení vozidla mohou být však velmi rozdílné. Závisí to na množství předávaných informací a na způsobu jejich zabezpečení. Nejjednodušší je zavedení nouzového brzdění (zpravidla ve vlakových zabezpečovačích s kontrolou bdělosti strojvedoucího) a v poslední generaci systémů s kontrolou rychlosti i včasné provozní brzdění. O některých komplexnějších systémech bude zmínka v souvislosti s automatizací řízení v kap. Error! Reference source not found.. Pro základní představu uvedeme stručnou charakteristiku některých systémů, užívaných na vozidlech železničního typu (včetně metra) [5]. V zásadě rozeznáváme •

přenos liniový, kdy je informace přenášena na vozidlo průběžně například kódovanými

proudy v kolejnicích nebo v kabelech uložených v kolejišti, nejnověji pak zabezpečeným bezdrátovým digitálním přenosem,

-8-

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 2. Přenos informací na vozidlo •

přenos bodový, kdy se přenos nebo i výměna informací mezi vozidlem a tratí (pevným

stanovištěm) děje v určitém, přesně definovaném bodě trati (tím je zároveň určena okamžitá poloha vozidla na trati). Hlavní výhodou liniových systémů je trvalý přenos informace, který je spolehlivější a operativnější než bodový a ihned po zapnutí plně funkční. Bodový zase může určit vozidlu přesně polohu na trati a většinou také přenést více informací. Optimální je přirozeně kombinace obou systémů, která je základem moderních systémů. Prakticky všechna dále zmíněná zařízení jsou schopna přenášet na vozidlo návěstní znaky nejbližšího návěstidla. Dokonalejší často využívanou možností je kontrola rychlosti buď jen v případech, kdy je ji třeba ji snižovat (k místu se sníženou rychlostí nebo k místu zastavení) nebo průběžně (maximální traťová ev. vlaková rychlost v úseku). Možnosti přímého zásahu do zařízení vozidla mohou být však velmi rozdílné. Závisí to na množství předávaných informací a na jejich zabezpečení. Nejjednodušší je zavedení nouzového brzdění a v případech kontroly rychlosti i včasné provozní brzdění. O některých komplexnějších systémech bude zmínka v souvislosti s automatizací řízení v kap. 5. Pro základní představu uvedeme stručnou charakteristiku některých systémů, užívaných na vozidlech železničního typu (včetně metra) [5].

2.1

LINIOVÝ VLAKOVÝ ZABEZPEČOVAČ LS II-IV, LS 90 Liniový vlakový zabezpečovač s nízkofrekvenčním induktivním přenosem informace z trati na

vozidlo pomocí kolejových obvodů byl zaveden v USA a odtud se rozšířil do Evropy (Holandsko) a SSSR. Po 2. světové válce byl převzat pro východoevropské železnice a také pro ČSD. Základní princip funkce ([5], [6]) pro nejjednodušší případ koleje, pojížděné v jednom směru, je na Error! Reference source not found..

Obr. 5 Schéma činnosti LVZ (ls90.dwg) Trať je rozdělena na oddíly kryté oddílovými návěstidly. Kolejové pásy jsou na hranicích oddílů přerušeny a izolovány izolovanými styky.(IS).Zpětné vedení trakčního proudu je zajištěno stykovými transformátory KT. Pokud se trakční proudy dělí do obou kolejnic rovnoměrně, neindukuje se do sekundárních vinutí stykových transformátorů žádné napětí. Směrem od návěstidla proti směru jízdy vlaku je kolejový obvod tvořený kolejovými pásy napájen proudem 2…20 A o kmitočtu 50Hz (u původních kolejových obvodů na stejnosměrném systému budovaných do r.1970) nebo 75 Hz (na systému střídavém a nově od r. 1970 i na stejnosměrném systému.).

-9-

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 2. Přenos informací na vozidlo Pokud je traťový oddíl volný, je kolejové relé R na začátku oddílu přitažené a indikuje volnost traťového oddílu do zabezpečovacího zařízení (případ prvního a třetího oddílu). Pokud do oddílu vjede vozidlo uzavře první dvojkolí proudovou smyčku a kolejové relé R odpadne. Tím jednak signalizuje zabezpečovacímu zařízení, že traťový oddíl je obsazený, jednak uvede v činnost kodér K u příslušného návěstidla, který klíčuje vysílaný kmitočet se střídou asi 1:1. Kmitočet klíčování nese informaci o návěstním znaku příslušného návěstidla: •

červená (na konci tohoto oddílu očekávej stůj)– 0,9 Hz, na opakovači červená,

•

návěst, požadující na konci tohoto oddílu omezení rychlosti na 40, 60, 80 nebo 100 km/h– 1,8

Hz, na opakovači žluté mezikruží, •

žlutá (na konci následujícího oddílu očekávej výstrahu) – 3,4 Hz, na opakovači žlutá,

•

zelená (volno nejvyšší dovolenou rychlostí) – 5,4 Hz, na opakovači zelená.

Na vozidle jsou před první nápravou umístěny cívky snímačů s jádrem z transformátorových plechů, do nichž se proudem v kolejnicích indukuje příslušným způsobem klíčované napětí. Mobilní část LVZ signál vyhodnocuje a ovládá návěstní opakovač v kabině strojvedoucího. Pokud na opakovači svítí červená nebo žluté mezikruží musí strojvedoucí pravidelně ovládat tlačítko bdělosti (TB), jinak LVZ zavede nouzové brzdění. To je jediný přímý zásah do řízení vozidla, který je ale vázán na činnost strojvedoucího (TB). Na opakovači je navíc ještě modré světlo, značící výluku LVZ. Zhasnutá všechna světla znamenají podle okolností poruchu zařízení (přenosu), vjezd do obsazeného oddílu nebo vjezd do oddílu bez LVZ. V prvních dvou případech lze za jistých předpokladů (omezená rychlost a obsluha TB) pokračovat v jízdě, v posledním je třeba zavést výluku LVZ, který pak zjišťuje pouze činnost tlačítka bdělosti. Uvedený systém je principielně nízkokapacitní a přenáší na návěstní opakovač pět „bitů“ informace (včetně zhasnutého stavu) a jak je zřejmé, jsou přenesené informace někdy víceznačné.

2.2

ARS – METRO PRAHA Jde o podobný systém jako v předchozím případě, používaný na tratích, kde jsou provozovány

původní starší vozidla ruské výroby [5]. Pro přenos informací jsou použity kolejové obvody a induktivní snímače na čelních vozidlech. Do obsazených traťových oddílů se zavádí (nekódovaný) střídavý proud, jehož kmitočet vyjadřuje maximální dovolenou rychlost soupravy: 75 Hz…80 km/h, 125 Hz…60 km/h, 175 Hz…40 km/h, 225 Hz…20 km/h a 275 Hz 0 km/h (stůj). Do neobsazeného traťového oddílu se vysílá proud o kmitočtu 275 Hz. K překonání traťových oddílů bez signálu slouží tlačítko bdělosti umožňující jízdu rychlostí 20 km/h. Při překročení maximální rychlosti zareaguje elektropneumatická nouzová brzda. Dále se strojvedoucímu signalizuje i dovolená rychlost v následujícím traťovém oddílu (funkce předvěsti). Řízení vysílaných kmitočtů zajišťuje stacionární zabezpečovací zařízení v závislosti na obsazení traťových oddílů, poloze návěstidel, výměn a dalších informací.

- 10 -


2.3

INDUSI I 60, PZB 80 Tento systém používá bodový způsob přenosu a je zhruba stejně starý jako předchozí

nízkofrekvenční liniový vlakový zabezpečovač [5], [7], [8]. Existuje řada variant jednoho principu. Zjednodušené schéma je na Error! Reference source not found.. Na pravé vnější straně koleje je umístěna cívka s otevřeným magnetickým obvodem (tzv. traťový induktor), která je součástí pasivního rezonančního obvodu. Existují tři typy informačních bodů s rezonančním kmitočtem 500 Hz, 1000 Hz a 2000 Hz. Cívku lze spojit dokrátka pomocí kontaktu spínaného v případě, že na následujícím návěstidle je návěst, která neomezuje rychlost vlaku. Rezonanční obvod je pak neúčinný a žádná informace se na vozidlo nepřenáší.

Obr. 6 Princip přenosu informací pomocí Indusi (ls90.dwg) Na vozidle jsou umístěny tři nezávislé sériové rezonanční obvody buzené odpovídajícím kmitočtem, jejichž cívky jsou při přejezdu informačního bodu magneticky vázány s cívkou informačního bodu. Proud v obvodu, jehož kmitočet odpovídá nastavenému kmitočtu obvodu v informačním bodu vzroste a tak předá vyhodnocovacímu zařízení na vozidle informaci jednak o minutí informačního bodu, jednak o nastaveném kmitočtu. Vyhodnocovací zařízení obsahuje řadu programů, charakterizovaných nejvyšší dovolenou rychlostí, kterou před jízdou zadává strojvedoucí. Při vyhodnocení kmitočtu 500 Hz se kontroluje průběh rychlosti tak, aby na předepsané dráze byla dosažena rychlost 40 km/h. Při vyhodnocení kmitočtu 1000 Hz je rychlost podobným způsobem kontrolována pro dosažení rychlosti 60 km/h a její udržování na následující dráze 1400 m při současné obsluze tlačítka bdělosti. Při vyhodnocení kmitočtu 2000 Hz se zavádí okamžité nouzové brzdění. Průběžně se mimo to kontroluje dodržování maximální rychlosti podle zadaného programu. Na vozidlo se tedy v informačním bodě přenáší 2 „bity“ informace (druh informačního bodu+informace o poloze vozidla). Její skutečný význam pro činnost vozidla je spoluurčen nastaveným programem. Na rozdíl od předchozího systému s kontrolou bdělosti strojvedoucího lze u poslední generace systému „Indusi“ v průběhu jízdy

kontrolovat rychlost vozidla. Překročení

požadovaného průběhu je nejprve akusticky signalizováno a poté se zavádí nouzové brzdění.

- 11 -


2.4

JZG 700 – ERICSSON Tento systém je východiskem moderních bodových přenosů [5]. Využívá vysokofrekvenčního

přenosu a informaci přenáší sériovým způsobem („telegram“). Na vozidle je anténa a vysílač pracující na kmitočtu 27 MHz a příjímač pracující na kmitočtu 4,5 MHz. Činnost řídí centrální procesorová jednotka, která zajišťuje také odměřování ujeté dráhy, ovládání brzd a displeje na stanovišti. Traťový informační bod je tvořen anténami a elektronickými obvody, které jsou umístěny na desce (traťovém majáku – balíze) umístěné v ose koleje. Při přejíždění vozidla přes informační bod jsou jeho obvody vybuzeny (napájeny) příjmaným kmitočtem 27 Mhz, který je vysílán vozidlem. Vysílač traťového majáku – balízy pracující na nosném kmitočtu 4,5 MHz je příjmaným kmitočtem synchronizován. Nosný kmitočet je modulován v logických obvodech podle druhu informačního bodu. Informace se na vozidlo přenáší telegramem o délce 32 bit, z nichž 12 nese informaci. Ostatní zabezpečují přenos. Zároveň se určuje poloha vozidla na trati. Rychlost přenosu 50 kbit/s zajišťuje i při rychlosti jízdy 300 km/h osminásobné opakování zprávy. Přenášená informace může být pevně nastavená v paměti informačního bodu (možno ji ovšem v paměti „ručně“ změnit) nebo proměnná, závislá na poloze návěstidla. Zjednodušené blokové schéma je na Error! Reference source not found..

Obr. 7 Blokové schéma bodového přenosu informace JZG 700 (ls90.dwg) Na základě přenesené informace centrální počítačová jednotka na vozidle kontroluje, zda vozidlo nepřekračuje •

maximální rychlost, zadanou strojvedoucím

•

dovolenou traťovou rychlost,

•

trvalé nebo dočasné omezení traťové rychlosti pro daný úsek,

•

rychlosti stanovené výpočtem bezpečnostní křivky při snižování rychlosti k místům

s omezenou rychlostí. Pokud strojvedoucí tato omezení dodržuje, zařízení do řízení nezasahuje. Při jejich překročení se tato skutečnost opticky a akusticky signalizuje a pokud ani pak rychlost náležitě nepoklesne zavádí se provozní brzdění. Pokud rychlost poklesne pod požadovanou mez může strojvedoucí (tlačítkem) takto zavedené brzdění zrušit a pokračovat v jízdě v rámci omezení (souprava není brzděna nouzovou brzdou).

- 12 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 2. Přenos informací na vozidlo Na rozdíl od předchozích systémů je rychlost kontrolována průběžně a zásah do řízení vozidla nastává včas, takže může předcházet vzniku nebezpečné situace. V tomto případě má tedy činnost zařízení charakter ochrany resp. „řízeného omezovače“ rychlosti.

2.5

ZAŘÍZENÍ ZUB -SIEMENS Zařízení ZUB (Zugbeeinflussunssystem), používaný na DB obsahuje v principu jednak systém

Indusi, jednak systém podobný systému Ericsson (JZG 700) [10], [11]. Existuje řada variant, přizpůsobených různým provozním požadavkům. Provedení ZUB 122 je zjednodušeně znázorněno na Obr. 8.

Obr. 8 Zjednodušené schéma přenosu informací systémem ZUB 122 (zub_lsb.dwg) Zařízení sestává z vozidlové a traťové části. Informační body jsou umístěny vně koleje podobně jako u systému Indusi. Napájení traťové části z vozidlové při průjezdu je v daném případě zajištěno samostatným kanálem s kmitočtem 100 kHz. Kanál pracující na kmitočtu 50 kHz odpovídá původní funkci Indusi a tvoří zálohu pro případ poruchy na ostatním zařízení (Rückfallebene). Přenos informací normálně zajišťuje kanál pracující na nosném kmitočtu 850 kHz, který přenáší především informace z traťové části na vozidlo (o poloze návěstidel, míst se sníženou rychlostí atd.), může ale zajistit i přenos opačným směrem (z vozidla na stacionární zařízení). Informace se přenáší telegramem s délkou až do 64 informačních bitů. Hlavní přenášené informace se týkají vzdáleností jednotlivých míst a rychlostí, které v nich nesmí být překročeny, návěstních pojmů a řady dalších informací podle místních poměrů a požadavků. Provedení je znázorněno na Error! Reference source not found., kde je patrná část traťová, snímač na vozidle a čidlo rychlosti (ujeté dráhy).

- 13 -


Obr. 9 Uspořádání traťové a vozidlové části zařízení ZUB (zub.bmp) Informace se vyhodnocují na vozidle v procesorovém systému, který komunikuje s displejem na stanovišti, určuje dráhu ujetou od přejezdu posledního informačního bodu. V závislosti na tom •

generuje průběh okamžité rychlosti, který zajišťuje navedení vlaku na rychlost

předepsanou v cíli, •

kontroluje, že celý vlak projede místem s omezenou rychlostí nejvýše předepsanou rychlostí,

•

jestliže skutečná rychlost překročí předepsanou rychlost (maximální v momentálním místě na

trati) indikuje se tato skutečnost strojvedoucímu a v případě „neuposlechnutí“ zavádí provozní brzdění. Opačným směrem lze přenášet až 80 informačních bitů, které mohou obsahovat informace o vozidle, stavu jeho hlavních agregátů, evidenční číslo, cílovou stanici, délku vlaku apod. Telegramy se stačí přenést ještě při rychlosti 350 km/h třikrát.

2.6

PA 135 – MATRA Jedná se o sytém zabezpečení a řízení jízdy souprav v pražském metru, který postupně

nahrazuje systém ARS především na tratích s provozem modernizovaných a nových souprav. Je zaměřen speciálně na provozní podmínky a požadavky metra, zejména na zajištění maximálního přepravního výkonu s intervalem mezi soupravami od 90 s.Umožňuje několik způsobů práce: •

režim automatického vedení vlaku (ATO Automatic Train Operation), o kterém se zmíníme

později (zajišťuje dodržení rozestupu vlaků, respektování návěstí, včasné brzdění před místy zastavení a zastavení na předepsaném místě u nástupiště aj.), •

režim vlakového zabezpečovače (ATP Automatic Train Protection), který tvoří podsystém

zabezpečující především dodržování povolených rychlostí,

- 14 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 2. Přenos informací na vozidlo •

režim tlačítek bdělosti, kdy je souprava ovládána ručně a rychlost je omezena na 30 km/h,

•

vypnutý stav, pouze pro provoz bez cestujících.

Informace se přenáší z „programového pásu“, „koberce“, na anténu na vozidle. „Koberec“ je tvořen dvojicí vedení podle Obr. 10 uložených mezi kolejnicemi normálně při pravé straně. Vodiče „koberce“ jsou napájeny z dispečerského zabezpečovacího zařízení, které řídí provoz na trati.

Obr. 10 Provedení traťové části pro přenos signálů (matra.dwg) Na nosný kmitočet 135 kHz je namodulováno až 9 kmitočtů v pásmu 1..2 kHz, které vyjadřují přenášenou informaci (paralelní přenos 9 bitů informace). Pro průběžnou kontrolu rychlosti se využívá míst křížení kabelů v „koberci“. Kontroluje se, že mezi přejetím sousedních křížení uplyne minimálně 290 ms, takže vzdálenost křížení pro 80 km/h odpovídá asi 6,66 m, pro rychlost nižší se vzdálenost zkracuje.

2.7

ZAŘÍZENÍ LZB - SIEMENS Zavádění vysokorychlostní dopravy v Německu (vlaky ICE) si vyžádalo vzhledem k rostoucí

zábrzdné dráze nové způsoby zabezpečení a přenosu informací na vozidlo. Brzdná dráha při 200 km/h je stanovena na 2000 m a při 280 km/h 4000 m. Včasný přenos návěstí na vozidlo jako klíčové informace technickými prostředky je nezbytný. Proto byl vyvinut (Siemens) liniový zabezpečovací systém LZB (Linienzugbeeinflussungssystem) [12], [13]. Zařízení je schematicky zobrazeno na Obr. 11. Mezi kolejnicemi při jedné straně je uložena kabelová smyčka, při čemž kabely jsou v pravidelných vzdálenostech asi 100 m překříženy. Tím je určena (korigována) poloha vozidla na trati. Smyčka může být až 1270 m dlouhá a je napájena z traťových centrál, které jsou propojeny navzájem a s nadřazenými systémy. Centrála volá cyklicky všechna vozidla, která se nacházejí v oblasti její působnosti prostřednictvím telegramů s rychlostí přenosu 1200 bit/s tak, že každé vozidlo je voláno asi 1..4 krát za sekundu. Předávaný telegram je přijímán pouze „adresovaným“ vozidlem a obsahuje 83 bit, z toho je 70 bit je užitečných. Pro přenos z trati na vozidla je použit nosný kmitočet 36 kHz. Na vozidle (ICE) jsou umístěny dva páry přijímacích a dvě vysílací antény. Jejich signály zpracovává procesorový systém LZB 80. Telegram pro vozidlo obsahuje zejména údaje o potřebném brzdění, o cíli, o návěsti a pomocné informace. Na jejich základě a podle údajů tachogenerátoru na nápravě počítač na vozidle vypočítává průběžně maximální dovolenou rychlost jízdy a v případě potřeby zavádí provozní brzdění.

- 15 -


Obr. 11 Princip zařízení LZB 80 (matra.dwg) Volané vozidlo odpovídá telegramem o délce 41 bit, z toho je 30 užitečných rychlostí 600 bit/s. Telegram pro centrálu obsahuje zejména hlášení o poloze vlaku, brzdovou schopnost, skutečnou rychlost, provozní a diagnostické informace. Pro přenos opačným směrem se používá kmitočet 56 kHz. Zařízení umožňuje přenos návěsti na vozidlo vzdálené až 10 km a průběžně kontroluje, že není překračována vypočtená maximální rychlost. Jako záloha je do zařízení začleněn systém INDUSI 80. Bodový systém ZUB a liniový LZB byly také kombinovány a použity na dánských železnicích [14].

2.8

ERTMS/ETCS Zabezpečovací systémy a odpovídající způsoby přenosu a využívání informací na vozidlech se

vyvíjely u jednotlivých železničních správ samostatně a proto vzniklo množství navzájem většinou neslučitelných systémů. V literatuře se udávají různé počty používaných systémů vlakových zabezpečovačů, pokud započítáme i systémy střední Evropy lze jejich počet odhadnout na 20 ([16], [18]). To přirozeně velmi komplikuje mezinárodní provoz, trakční vozidla musí být vybavena kompletně systémy všech drah, na kterých mají být provozována. Jako příklad je na Error! Reference source not found. uvedeno umístění antén (snímačů) u 4 systémové lokomotivy BR 189 (DB), které jsou potřebné pro provoz na evropských drahách [19].

- 16 -


Obr. 12 Snímače na lokomotivě BR 189 (anteny.bmp) Protože s ohledem na investiční náklady nelze v dohledné době zavést jediný univerzální systém byl vypracován komplex projektů, snažící se integrovat do stávajících systémů nové požadavky s využitím současné techniky. Z nich nejvšeobecnější je asi projekt ERTMS (European Rail Traffic Management Systém) pro řízení a zabezpečení dopravy podle norem CENELEC). Jádrem tohoto projektu je projekt ETCS (European Train Control System). ETCS je založen na kombinovaném bodovém (EUROBALISE) a liniovém (EURORADIO) systému zabezpečení a přenosu a na sjednoceném displeji pro ovládání a komunikaci s obsluhou na vozidle (EUROCAB), Obr. 13.

Obr. 13 Základní rozvržení údajů a ovladačů na obrazovce Eurocab (mmi.bmp) Zatímco bodový přenos vychází ze systémů dříve popsaných pro liniový systém se používá digitální přenos bezdrátový, vycházející ze systému pro mobilní telefony GSM a označený jako GSMR (Global Systém for Mobile Communication – Rail). Pro určení polohy vozidla na trati se kromě využití bodového přenosu a odměřování dráhy jako u systémů stávajících zkouší také využití GPS (Global Positioning System). Projekt byl zahájen z iniciativy UIC v roce 1991 ([5]) a předpokládalo se, že systém by mohl být připraven do roku 1996 ([16]). Ve skutečnosti se realizace zpožďuje, pilotní projekt u DB byl dán do

- 17 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 2. Přenos informací na vozidlo provozu koncem roku 2000 ([20]). Jednotlivé komponenty (například Eurobalisy – informační body) se ovšem zavádějí průběžně a zároveň se upřesňují požadavky a vlastnosti.

Obr. 14 Schématicky naznačené úrovně 1 a 2 realizace ETCS (lev1.bmp, lev2.bmp, lev3.bmp) Vzhledem k rozsahu a náročnosti projektu byly definovány 3 úrovně resp. stupně realizace (Level 1, 2, 3). Schematicky jsou znázorněny na Obr. 14 ([21]). Úroveň 1 (Level 1) prakticky odpovídá bodovému zabezpečovacímu zařízení, například popsanému systému ZUB. Pro bodový přenos informací na vozidlo jsou užity Eurobalisy, rychlost jízdy vozidla se průběžně kontroluje, sled vlaků je dán klasickými traťovými oddíly ohraničenými návěstidly. Tato úroveň připadá v úvahu pouze na tratích, na kterých dosud podobný systém zaveden není. Úroveň 2 (Level 2) již předpokládá trvalý přenos informací mezi vozidlem a dispečinkem pouze bezdrátově bez vnějších návěstidel. Podél trati je vybudována řada vysílačů/příjmačů trvalý pro styk s vozidlem, které jsou řízeny centrálou RBC (centrála radiobloku). Zabezpečené digitální spojení GSM—R probíhá v kmitočtovém pásmu 900 MHz Průběžně se kontroluje rychlost jízdy. Centrální dispečink zajišťuje stavění vlakové cesty (výměn) i přenos potřebných návěstí. Pevné traťové oddíly ale zůstávají zachovány. Eurobalisy slouží pouze pro určení místa na trati. Na těchto tratích smějí jezdit pouze vozidla vybavená zařízením ETCS. Tato úroveň se v současné době začíná zkoušet u řady evropských železničních správ (např. DB, SNCF, RENFE, OBB) [21] v „ostrém“ trvalém provozu je u SBB. Úroveň 3 (Level 3) představuje systém budoucnosti, plně řízený a zabezpečený centrálně počítačem (radioblok) a je schématicky naznačeno na Error! Reference source not found..

Obr. 15 Schématické uspořádání přenosu ETCS – úroveň 3 (lev3.bmp)

- 18 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 2. Přenos informací na vozidlo Podrobnější a přehledný výklad funkcí systému ETCS nalézt například v [5]. Protože v současné době jsou prakticky všechny hlavní trati již zabezpečeny, řeší se zavádění ETCS pomocí národních modulů STM, které představují interface mezi národním systémem přenosu informací a vlastním zařízením ETCS. Příklad blokového uspořádání zařízení pro provoz na ČD a DB je na Obr. 16.

Obr. 16 Schématické uspořádání ETCS pro vozidlo pro provoz na ČD a DB (etcs.dwg) Zde jsou zakresleny i bloky radiového spojení (pro ČD místní na 160 MHz a dispečerské na 450 MHz) a digitální fonické spojení na 900 MHz. Druhý kanál 900 MHz je zabezpečený a slouží pro přenos řídicích informací. Ideový projekt třísystémové rychlé elektrické naklápěcí soupravy ČD („Pendolino“) řady 680 je popsán v [22] a ukazuje komplikace při zavádění ETCS v praxi na vozidle, určeném pro mezinárodní provoz. Ty spočívají všeobecně •

v technické nejednotnosti stávajících zařízení na různých tratích i v rámci jedné dráhy,

•

v různém časovém postupu zavádění ETCS a různých často pozměňovaných plánovaných

termínech a úrovních realizace, •

v konkurenčním prostředí hlavních výrobců (Siemens, Alsthom, Alcatel, Bombardier a další),

které brání transparentnosti řešení, jeho jednotnosti, dostupnosti technických údajů a možnosti spolupráce zařízení jednotlivých výrobců, •

ve vysokých nákladech, které zavedení ETCS představuje a které ve svých důsledcích

povede k situaci, kdy ke stávajícím mnoha systémům přibude systém další (ovšem v řadě lokálních variant). To v souhrnu a v konečném efektu spolu s přirozeně dlouhodobým procesem zavádění ETCS oslabuje původní myšlenku jednotnosti. Další vývoj ukáže, do jaké míry se tato skeptická předpověď potvrdí. V optimálním případě lze očekávat, že by se mohl ve více méně jednotném provedení uplatnit v síti vybraných mezinárodních tratích, odkud také původní potřeba vznikla.

- 19 -


2.9

BEZDRÁTOVÉ RADIOVÉ SPOJENÍ Uvedené způsoby se týkají především přenosu informací pro zabezpečovací techniku a jejich

hlavními návaznostmi a využitím jsme se úmyslně nezabývali. V následujících odstavcích uvedeme další příklady přenosu informací na vozidlo, které slouží především pro řízení jízdy a pro zabezpečení (zatím) jen omezeně. Nejběžnějším a široce používaným způsobem je ovšem dispečerské bezdrátové telefonní spojení. Pro tramvaje a podobná vozidla je prakticky jediným používaným způsobem, protože množství možných přenášených informací (obousměrně!) je téměř neomezené tak, jak to odpovídá poměrům v provozu těchto vozidel. Uplatní se ovšem i u všech ostatních dopravních systémů právě pro svou operativnost například v mimořádných situacích. Příklad dispečerského spojení u ČD byl zmíněn v Obr. 16.

2.10 MAGNETICKÉ INFORMAČNÍ BODY PRO AVV Pro účely automatického vedení vlaku, o kterém bude řeč později byl u ČD vyvinut (VÚŽ, později AŽD Praha) způsob přenosu informací na jedoucí vozidlo pomocí magnetických informačních bodů ([23]). Jeho princip je uveden na Obr. 17.

Obr. 17 Uspořádání přenosu informace magnetickými informačními body (AŽD) (infbod.dwg) V kolejišti jsou umístěny podélně vedle sebe dvě čtveřice permanentních magnetů, které mohou být orientovány tak, že na svrchní straně je buď severní nebo jižní pól. Na vozidle jsou umístěny dva snímače (polarizované kontakty), které při přejezdu nad magnety sepnou odpovídající výstup. Informace ze snímačů se ve vyhodnocovacím zařízení zpracují na 16 bitové číslo. To pak jednoznačně určuje adresu (z celkového počtu 65536 možných, v nich je zároveň zakódovaný i směr jízdy). Podle ní se v paměti řídicího systému na vozidle zjistí potřebné informace o místě, traťových poměrech atd. - 20 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 2. Přenos informací na vozidlo Zřejmou výhodou systému je, že se přenáší pouze adresy a vlastní informace je na jejím základě vyhledávána v paměti na vozidle. Ta může být proto (teoreticky) libovolně obsáhlá a jednoduše modifikovatelná. Adresy jsou dány konfigurací magnetů v kolejišti, tedy způsobem jednoduchým, levným, spolehlivým a dostatečně robustním, bez elektroniky a napájení. Informační body jsou umístěny na obou stranách vícekolejných zhlaví, na hranicích oddílů a pro upřesnění polohy vlaku. To může být v budoucnosti využito i při radiovém přenosu návěstních znaků. Při tom je třeba určit bezpečně polohu vozidla aby bylo zajištěno, že přijímaná návěst přísluší skutečně danému vozidlu.

- 21 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 3. Stanoviště

3 STANOVIŠTĚ Stanoviště strojvedoucího nebo řidiče je místem, kde je soustředěno zařízení pro ovládání vozidla a kde jsou soustřeďovány potřebné informace. Je to místo, kde se uzavírá „zpětná vazba“ mezi obsluhou a zařízením vozidla tak, jak byla dříve popsána. Je to také místo velmi významné z hlediska bezpečnosti provozu, neboť se zde v největší míře uplatňuje „lidský činitel“ a mohou vznikat chyby při jeho selhání. Na jeho uspořádání se proto klade řada požadavků tak, aby nebezpečí omylů bylo minimalizováno a obsluha měla co nejlepší podmínky pro práci. Nejprve se stručně zmíníme o okolnostech závislých především na vlastnostech člověka obecně.

3.1

PRACOVNÍ PODMÍNKY Otázkami optimálního uspořádání stanoviště se zabývá (kromě technických oborů) například

ergonomie a hygiena práce. Jde o to vytvořit pro práci obsluhy co nejpříznivější podmínky. Především se jedná o tepelnou pohodu, která je kromě teploty závislá také na vlhkosti vzduchu. Tu je třeba vytvořit topením, větráním resp. klimatizací, která je pro stanoviště všech moderních vozidel podmínkou. Při tom je třeba také dodržet vhodné rozdělení teploty v prostoru stanoviště a zamezit nepříjemnému proudění vzduchu (prašnost). Příklad závislosti je na Obr. 18 podle [3] (oblast 1 je optimální pro práci vsedě, oblast 2 pro práci v pohybu).

Obr. 18 Podmínky tepelné pohody (pohoda.bmp) Dalším vlivem, který působí zhoršení pracovních podmínek právě na vozidlech jsou otřesy (kmitání). Hranice jejich působení v závislosti na jejich amplitudě a kmitočtu je v Obr. 19 rovněž podle

- 22 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 3. Stanoviště [3]. Podmínky je třeba vytvořit vypružením a tlumením vozidla, ale také vhodnou konstrukcí sedačky, zvláště pokud se předpokládá řízení převážně vsedě.

Obr. 19 Účinky kmitání (kmity.bmp) Další škodlivý vliv rovněž významný na vozidlech je hluk. Jeho účinky na člověka závisí na jeho hlasitosti (v dB) a kmitočtu (v Hz) a účinky udává například Obr. 20 podle [3]. Zde jsou uvedeny oblasti z různých hledisek. Přímka A představuje hladinu hluku, která nemá být v průmyslovém prostředí překročena. Protože hluk má zpravidla neharmonický charakter měří se jeho úroveň za filtrem, jehož kmitočtovou charakteristiku udává norma. Pak se požadované nebo naměřené údaje vyjadřují například v dBA pro filtr s charakteristikou „A“. O podmínkách pro správné vnímání optických informací, které jsou pro člověka obecně nejdůležitější bylo stručně pojednáno v úvodu. Osvětlení na stanovišti musí respektovat řadu přirozených, ale v praxi často obtížně splnitelných podmínek, například •

přirozené osvětlení nesmí významně zhoršit čitelnost sdělovačů (kritické je u displejů při

osvětlením sluncem), ovšem nelze kvůli tomu omezit výhled, •

umělé osvětlení musí být při jízdě regulováno (ručně nebo automaticky) tak, aby umožnilo

odečítání sdělovačů v kabině ale nerušilo při výhledu (ve tmě), •

vnější ani vnitřní světelné zdroje nesmí působit klamné odrazy, zvláště takové, které mohou

být zaměněny s návěstmi (barevné signálky). V této souvislosti hraje důležitou roli i tvarové (případné odrazové plochy) a barevné řešení zařízení stanoviště (doporučují se výhradně matné povrchy). - 23 -


Obr. 20 Účinky zvuků na člověka (zvuky.bmp) Stanoviště musí být uspořádáno také tak aby •

vyhovovalo co nejlépe pohybovým možnostem obsluhy (rozměry pultu, rozmístění ovladačů,

výhled apod.) a to pro převážnou část „rozměrů“ populace, •

zajišťovalo výhled do důležitých prostor (okna, zrcátka, popřípadě i průmyslová televize),

•

zajišťovalo co nejvyšší bezpečnost obsluhy při nehodách (deformační zóny před kabinou,

vyztužení konstrukce, únikové cesty, dostatečně odolné čelní sklo zvláště u vozidel pro vysoké rychlosti apod.). I když uvedené požadavky ovlivňují především mechanickou konstrukci mají zprostředkovaně i dopad na elektrickou výzbroj (například omezením volného prostoru pod a za pultem). Příkladem podmínek pro uspořádání pultu může být (starší) rozměrové doporučení pro stanoviště strojvedoucího lokomotivy na Obr. 21 podle [3]. V jiných případech se mohou požadavky (i možnosti uspořádání) podstatně lišit. Například u posunovacích lokomotiv bývá předepsána viditelnost na alespoň jeden nárazník (ve směru jízdy). Důležitou skutečností při řešení stanoviště je, zda se předpokládá (nebo požaduje) pohyb strojvedoucího po stanovišti při jízdě (běžně u lokomotivy) nebo výhradně vsedě (u trolejbusů, tramvají atd.). V druhém případě je mj. nezbytné zajistit výhled do všech potřebných směrů ze sedadla řidiče, všechny ovladače pro běžný provoz musí být z tohoto místa dosažitelné a sdělovače viditelné.

- 24 -


Obr. 21 Příklad požadavků na stanoviště lokomotivy (kabina.bmp) Při umístění sedadla obsluhy vpravo nebo vlevo lze poměrně jednoduše zajistit výhled na tuto stranu, ovšem je omezena plocha pultu a výhled na druhou vozidla. Při umístění sedadla v ose vozidla je prostor pro pult (a ovladače, které musí být na něm umístěny) větší, ale výhled na obě strany pouze zrcátky, televizí nebo bývají o oken umístěny pomocné ovladače (například pro posun). Uvedené poznámky mají pouze upozornit na problematiku, která je významná, ale přesahuje hranice těchto skript a v řadě ohledů i technickou stránku věci. Záměrně rovněž nebyly uváděny konkrétní mezní hodnoty (osvětlení, hluku v různých provozních stavech atd.), protože se liší v jednotlivých případech podle typu vozidla, požadavků provozovatele a s časem se vyvíjejí (většinou zpřísňují). Pro podrobné a platné podmínky je třeba se vždy obrátit pro daný případ na platné předpisy.

3.2

USPOŘÁDÁNÍ STANOVIŠTĚ Kromě obecných podmínek uvedených v předchozím odstavci musí uspořádání stanoviště

splňovat řadu konkrétních požadavků, vyplývajících z typu a technických vlastností řízeného vozidla. Nejdůležitější částí stanoviště je přirozeně pult, na němž jsou soustředěny ovladače a sdělovače, potřebné pro řízení

- 25 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 3. Stanoviště •

jízdy a brzdění,

•

zařízení vlastní spotřeby vozidla a soupravy,

•

zařízení v prostorech pro cestující a

•

pokud je to nutné také sledovat skutečný stav těchto zařízení.

Přitom u moderních vozidel dochází ke konfliktu mezi požadavkem na využití všech možností ovládání a zprostředkování všech dostupných informací na jedné straně a zajištění přehlednosti a jednoduchosti obsluhy na straně druhé. Automatizace řízení řeší zvláště u univerzálně používaných vozidel (lokomotivy) pouze část tohoto problému. Příklad jednoho (z mnoha) doporučení pro rozložení ovladačů a sdělovačů na pultu je schematicky uveden na Obr. 22 podle [24], kde jsou uvedeny i konkrétní aplikace.

Obr. 22 Doporučené rozmístění zařízení na pultu strojvedoucího podle [24] (pult1.dwg) Označení na Obr. 22 znamená: 1 – jízdní řád, 2 – sdělovače, měření požadované hodnoty, 3 – obrazovka s údaji o rychlosti, tažné síle, brzdné síle, tlaku vzduch apod., 4 – dodatečné informace, obrazovka , 5 – obrazovka pro poruchová hlášení, 6 – ovládání tahu, 7 – ovládání brzdy, 8 – komunikace (dispečerské spojení apod.), 9 – ovládání zařízení na vlaku.

Obr. 23 Stanoviště řidiče tramvaje pro Graz (Rakousko) (pult_Graz.bmp)

- 26 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 3. Stanoviště Několik následujících obrázků ilustruje různá provedení stanovišť resp. pultů moderních kolejových vozidel. Na Obr. 23 je stanoviště tramvaje podle [27] s procesorovým řízením, ale s ovládáním pedály (od tohoto způsobu se postupně upouští). Dvojice pedálů vpravo slouží po řízení tažné a brzdné síly, levý musí být při jízdě trvale stisknutý („mrtvý muž“). Na dalším Obr. 24 je moderněji pojaté stanoviště nízkopodlažní tramvaje podle [28] rovněž s GTO a procesorovým řízením s ovládání tahu i brzdy pákou (na levé straně).

Obr. 24 Stanoviště řidiče nízkopodlažní tramvaje pro Mnichov (pult_R1.bmp) Konečně na Obr. 25 je obrázek stanoviště strojvedoucího dvouvozové jednotky podzemní dráhy v Mnichově typu B 2.7 podle [29]. Jak uvidíme odpovídá jeho uspořádání stanovištím železničních vozidel. Významné místo zaujímá prostor pro jízdní řád a kromě ovladače pro jízdu je zapotřebí i ovladač průběžné brzdy.

Obr. 25 Stanoviště strojvedoucího vozidla podzemní dráhy Mnichov (pult_U.bmp) Stanoviště (pulty) lokomotiv a ostatních železničních vozidel prošly vývojem podobně jako trakční výzbroj. Na Obr. 26 je fotografie staršího provedení stanoviště lokomotivy. Levá páka je směrová, pravou se přidávají nebo ubírají jízdní stupně (polohy -, -1, X, +1, +). Brzdiče přímočinné a vlakové brzdy (na kraji pultu) jsou pneumatické přístroje (z obrázku je patrné poměrně složité připojení na vzduchové obvody).

- 27 -


Obr. 26 Pult lokomotivy 78E ŠKODA pro ČD) (pult_78E.bmp) Příklad poněkud netradičního uspořádání řídicího pultu je uveden na Obr. 27 podle [30]. Jedná se o lokomotivu Re 465, Bo´Bo´ o max. výkonu 7000 kW, trvale 6400 kW, max. 230 km/h pro systém 15 2

kV, 16 /3 Hz. Zvláštností je umístění dvou posuvných ovladačů: pro nastavení tažné a brzdné síly (blíže sedadlu) a požadované rychlosti (na opačné straně) výklopného opěradle křesla strojvedoucího, na kterém jsou ještě umístěna tlačítka pro jízdu na posunu a pro obsluhu zařízení bdělosti. Na místě, kde bývá obyčejně umístěn displej je prostor pro jízdní řád, displeje jsou po stranách. Dvěma pákami po levé straně se obsluhuje přímočinná a vlaková brzda. Stanoviště je určeno pro levostranný provoz a předpokládá se, že za jízdy strojvedoucí sedí.

Obr. 27 Pult lokomotivy Re 465 BLS (Švýcarsko) (pult_465.bmp) Jako poslední příklad pultu uvedeme provedení lokomotivy ESL 9000 pro dopravu nákladních vlaků tunelem pod kanálem La Manche na Obr. 28 podle [31]. Lokomotiva má jen jedno stanoviště, (předpokládá se souprava s lokomotivami na obou koncích), uspořádání náprav Bo´Bo´Bo´, trvalý - 28 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 3. Stanoviště výkon 5760 kW, maximální rychlost 160 km/h. Na stanovišti jsou vytvořena dvě místa: levé pro strojvedoucího s běžnými ovladači a dvěma displeji, pravé pro vlakvedoucího („kapitána“), který ale sedí na zadní lokomotivě a pro kterého jsou určeny další displeje.

Obr. 28 Pult lokomotivy “Le Shuttle” (pult_tunel.bmp) Jako příklad moderního řešení pultu u ČD je na Obr. 29 zachycena část pultu elektrické motorové jednotky 471. Vpravo je hlavní jízdní páka, vedle níž (mimo snímek) jsou elektrické ovladače vlakové a přímočinné brzdy (Obr. 32b).

Obr. 29 Pult elektrické motorové jednotky 471 pro ČD (pult 471.bmp)

- 29 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 3. Stanoviště Na závěr uvedeme dvě ukázky stanoviště nezávislých vozidel. Na Obr. 30 je pult třínápravové motorové lokomotivy 711 (ČD) podle [32], vzniklé modernizací původní řady 710 v ŽOS Zvolen a Nymburk. Řešení je obdobné jako na Obr. 26 (pneumatická brzda).

Obr. 30 Pult motorové lokomotivy 711 (ČD) (pult_711.bmp) Na Obr. 31 je pult moderní dvouvozové motorové jednotky BR611 s naklápěcí skříní pro rychlost 160 km/h podle [33]. Podobnost s pulty nezávislých vozidel z téže doby je zřejmá stejně jako její příčina – procesorové řízení, které umožňuje navenek „smazat“ rozdíly v technickém řešení vozidla.

Obr. 31 Pult motorové jednotky s naklápěcí skříní BR 611 (pult_611.bmp) Tento poměrně obsáhlý přehled bude sloužit i v následujících kapitolách jako příklad různých aplikací obecných postupů.

- 30 -


3.3

OVLADAČE •

Ovladače slouží obsluze k řízení vozidla při jízdě a brzdění, pro ovládání pomocných zařízení

a pro obsluhu zařízení v prostorech pro cestující (u nových konstrukcí to platí i pro lokomotivy určené pro osobní vlaky). Ovladače lze dělit podle mnoha tedy vytváření logických signálů (spínače, přepínače všech druhů) a •

pro nastavování (zadávání) veličin v mnoha úrovních nebo spojitě, vytváření (kvasi)

analogových signálů (potenciometry, bezkontaktní zadávací členy různého druhu, kódovací kotouče atd., přírůstkové řízení viz dále). Pro zadávání logických signálů se na vozidlech bez procesorového řízení používaly nejčastěji vícepolohové a „mnohopatrové“ otočné vačkové přepínače, protože zároveň mechanickou vazbou jednotlivých „pater“ zajišťovaly splnění potřebných logických vazeb. Při procesorovém řízení je výhodné maximum logických vazeb zajistit v SW počítače a ovladače jsou pak výrazně jednodušší. Výhodné jsou páčkové spínače s neutrální klidovou a odpruženou aktivní polohou (fungující jako tlačítka). V souvislosti s využíváním procesorové techniky je třeba zásadně rozlišovat mezi provedením kontaktů pro vyšší proudy a napětí (např. 24 nebo 48 Vss s proudy 0,1…5 A) a kontakty, které spínají proudy příslušných vstupních jednotek procesorových systémů (řádově okolo 10 mA). Poslední by měly být pozlacené (což je ovšem naopak nevhodné u kontaktů pro vyšší proudy). Pro zadávání spojitých (mnohoúrovňových veličin) se na vozidlech ovladačům posledně uvedeného druhu pokud možno vyhýbáme, a pokud jsou nutné, dává se přednost bezkontaktním zařízením, při číslicovém řízení kódovacím kotoučům (například při zadávání tažné síly pedálem u trolejbusů a některých tramvají). Důvodem není jen obecně nižší spolehlivost, ale také obtížná kontrole (zabezpečení) správnosti signálu. Mnohoúrovňové veličiny lze ale v zásadě zadávat dvojím způsobem (s pracovním označením) výchylkově nebo přírůstkově. Při výchylkovém ovládání je velikost zadávané veličina přímo určena výchylkou (polohou) ovladače. Nastavenou velikost lze snadno kontrolovat, ovšem nastavení nemůže být zvlášť jemné s ohledem na rozměry ovladače (zvláště, pokud mají být jednotlivé polohy vyjádřené např. zvýšeným odporem proti pohybu). Typickým představitelem je potenciometr resp. všechny ovladače uvedené výše pro zadávání spojitých veličin. Při přírůstkovém ovládání se ovladačem zadává v zásadě rychlost nárůstu nebo poklesu zadávané veličiny (často jen s jednou rychlosti pro nárůst a pokles). „Jemnost“ nastavení je pak dána přijatelnou dobou pro nastavení velkých změn. Ovladač je většinou spínačem, ovládání je tedy logické se všemi z toho plynoucími výhodami. Navenek se vyznačuje tím, že má vždy neutrální polohu („X“), ve které se nastavovaná hodnota nemá měnit. Nastavovaná hodnota se tedy vytváří teprve při dalším zpracováním integrací. Pro sledování dosažené hodnoty je ovšem zapotřebí vhodný sdělovač (ukazatel apod.), protože obsluha nemá jinak možnost zjistit nastavenou hodnotu. Tento způsob je proto výhodný především u číslicového řízení (nenastávají potíže s driftem nuly) a kromě toho může příslušnou hodnotu měnit i řídicí počítač, což by při přírůstkovém ovládání vedlo k nejasnostem.

- 31 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 3. Stanoviště U procesorového řízení lze pro výběr z daného počtu veličin použít také tlačítkové soupravy. Tlačítkem se bezprostředně zadává logická hodnota, kterou ovšem může systém interpretovat jako číslo, uložené v paměti, například jako požadovanou rychlost. Možnosti volby jsou ovšem dány předem. Dalším dělením může být dělení na ovládání •

s pevnou pákou, kdy nepovolenou manipulace s ovladačem nelze provést a

•

s volnou pákou, kdy páku sice ovládat lze, ale nepovolený povel se nevykoná.

První způsob se používal zvláště u starších vozidel, kde se pro zajištění důležitých závislostí používaly mechanické vazby. Druhý pak je typický všude, kde jsou logické závislosti zajištěny jinak (elektricky ať již kontaktně nebo SW) a je vhodné, aby takový ovladač měl neutrální polohu. Při tom musí být možno ověřit, zda povel byl vykonán nebo ne. Pro řízení jízdy a brzdění bývají zpravidla používány ovladače speciálně uzpůsobené pro daný typ vozidla a jeho výzbroje. Ovladače pro přímé ovládání vzduchových brzd na železnici byly popsány v 8. díle (včetně příkladů na výchylkové a přírůstkové ovládání přímočinné brzdy). Elektrické ovladače pro řízení jízdy jsou zpravidla mnohonásobné, vícepolohové vačkové přepínače, které svými polohami mohou ovládat různá zařízení. Příklad staršího provedení řídicího kontroléru pro lehkou elektrickou motorovou jednotku se stupňovým řízením (San Diego, 600 Vss, 300 kW, 80 km/h podle [25]) je na Obr. 32a. Na Obr. 32b je páka pro řízení přídavné a kolejnicové magnetické brzdy jednotky 471 a na Obr. 32c hlavní jízdní páka téže jednotky ([26]). Obě poslední páky jsou určeny pro zadávání povelů procesorovému řízení a logické vazby realizují jen v menší míře.

Obr. 32 Hlavní ovladače jízdy (paky.bmp, paky_471.bmp) Přirozenou snahou je zjednodušit ovládání a zároveň umožnit využití všech vlastností vozidla. Čím univerzálnější je vozidlo, tím více variant řízení musí poskytovat a tím roste i složitost hlavních ovladačů. Pro běžný provoz trolejbusu stačí dva pedály (jízdní a brzdový) a pro tramvaje pákový ovladač s nulovou polohou uprostřed a ovládání jízdy a brzdy na obě strany od ní (viz obrázky pultů v předešlé kapitole). Naopak především u železničních vozidel je nutné vzhledem k proměnlivým provozním požadavkům ev. provoznímu využívání umožnit více odpovídajících způsobů řízení. Běžně se

- 32 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 3. Stanoviště požaduje nějaký způsob automatického řízení (regulace rychlosti, cílové brzdění apod. – viz dále), přímé ruční řízení tahu (na postrku, posunu, jako nouzové apod.) a případně i ovládání z jiných míst než při běžné jízdě (od oken na obou stranách stanoviště, z jiného vozidla, z pomocného stanoviště na zadním konci vozidla - tramvaje například – určené normálně pro provoz jedním směrem). Jako příklad uvedeme v Tab. 1 základní uspořádání poloh a jejich význam u hlavní jízdní páky elektrické motorového vozu 471 (Obr. 29, Obr. 32). Vozidlo má dva základní režimy řízení (ve skutečnosti více): ruční pro posun a nouzovou jízdu a regulaci rychlosti pro traťovou službu (další možnosti, automatické vedení vlaku a optimalizace se ovládají jinak, viz dále). Tab. 1 Funkce hlavní jízdní páky elektrické motorové jednotky 471 Poloha

Řízení tahu

Aretace

Tažná síla

S

roste ke

Souhlas

100%

J

nemění se

Regulace rychlosti (RR)

Brzdná síla

Brzdná síla

el. brzda

vlak. brzda

klesá k 0%

snižuje

řízena RR

účinek

i při V=0

účinek

řízena RR

RR může

když je V>0

snižovat i

Jízda V

klesá k 0%

nemění se

Tažná síla

Brzdná síla

Brzdná síla

el. brzda

vlak. brzda

řízena RR

RR snižuje

zvyšovat

beze změny klesá k nule

účinek Výběh BE

(do výběhu) skok do 0%

Brzda

roste ke

skok do 0%

100 %

roste ke 100 %

elektrická BP

roste ke

zvyšuje

roste ke

zvyšuje

Brzda

100 %,

účinek

100 %,

účinek

vlaková R Rychlo-

pokud byla

pokud byla

páka

páka

v poloze BE

v poloze BE

déle než 1 s

déle než 1 s

brzda

I když v Tab. 1 byla provedena určitá zjednodušení je zřejmé, že funkce hlavní jízdní páky je po stránce technické realizace náročná, ale na druhé straně umožňuje řízení jízdy a všech způsobů brzdění jediným ovladačem (ten ovšem zajišťuje mechanickou vazbou i některé důležité logické vazby). Přepínání režimů se provádí zvláštním přepínačem (včetně vyšších automatizačních režimů). Požadovaná rychlost se zadává tlačítkovou soupravou (viz Obr. 29 pod prostorem pro jízdní řád). Uvedené řešení bylo výsledkem spolupráce ČD a výrobců a v obměnách se používá i pro motorové vozy a vlaky metra. Pro ovládání pomocných zařízení a zařízení v prostorech pro cestující se užívají průmyslově vyráběné spínače a přepínače, musí ovšem být dostatečně klimaticky (především záporné teploty) a - 33 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 3. Stanoviště mechanicky (otřesy) odolné (srov. obrázky v předchozí kapitole). Mimořádnou odolnost pak musí vykazovat všechny ovladače, které jsou přístupné cestujícím. Při tom na spolehlivosti většiny těchto zařízení závisí provozuschopnost vozidla. Počet ovladačů bývá značný a často je nelze všechny na pult umístit. V každém případě jejich rozmístění na pultě a případně výběr těch, které nebudou na pultu a mohou být umístěny jinde je složitý úkol. Obecně je posuzování uspořádání pultu a stanoviště záležitostí velmi individuální, závisí na osobních zkušenostech pracovníků obsluhy, údržby i investora a společné stanovisko se hledá velmi obtížně.

3.4

SDĚLOVAČE Sdělovače jsou přístroje, které zprostředkují obsluze informace o stavu zařízení vozidla resp.

soupravy. V zásadě lze informaci předávat opticky nebo akusticky. U starších vozidel byla akustická informace obyčejně omezena na signál bzučáku (houkačky) upozorňující na zvlášť závažné stavy (poruchy), protože akustický signál zřejmě nelze „přehlédnout“. „Výrazové možnosti“ jsou při tom ovšem minimální. U moderních vozidel se uplatňuje systém akustických hlášení v prostorách pro cestující, u metra vždy (jiná orientace cestujících za jízdy není možná), u tramvají většinou. V obou případech je způsob řízení poměrně jednoduchý. Na železnicích se postupně zavádí (zvláště u předměstských jednotek a rychlých souprav). Rutinní hlášení jsou předem připravena a vysílána automaticky v závislosti na pohybu soupravy. Některá mimořádná, ale provozně využívaná hlášení mohou být rovněž předem připravena, ale povel k jejich vyslání je dán „ručně“ (např. výstup cestujících na opačné straně při změně jízdní cesty). Konečně bývá možné přímé hlášení obsluhy přes mikrofon. Připravená mimořádná hlášení mají výhodu v lepší srozumitelnosti, standardním tvaru, úplnosti a přesnosti. Rutinní hlášení musí být synchronizována s optickým informačním systémem pro cestující, i když informace obou nebývají totožné. Sdělovače na stanovišti jsou prakticky výhradně optické. Jejich počet odpovídá možnostem vozidla (schopností generovat odpovídající informace) a prostorem na pultu a potřebám obsluhy (provozu) a diagnostiky (pro hledání a odstraňování závad nebo pro volbu nouzového provozu). U „klasických“ vozidel se jednalo převážně o měřicí přístroje, zejména voltmetry trolejového napětí, ampérmetry trakčních proudů a tlakoměry přímočinné a vlakové brzdy pro spojité a o signálky pro logické veličiny. Některé přístroje jsou předepsány předpisy. Pro hledání závad postačilo minimální technické vybavení. S postupem vývoje a rostoucí složitostí vozidel a funkcí také rostl počet sdělovačů a brzy se dostal do rozporu s potřebnou přehledností a jednoznačností sdělovaných informací. Jestliže kdysi stačila jedna červená žárovka pro signalizaci poruch pak u vozidel s pulzní regulací počet těchto signálek roste do desítek (při čemž ještě může jedna vyjadřovat více různých, i když příbuzných informací). Pokud mají tato vozidla integrovaný diagnostický systém (byť na relativně primitivní úrovni) potřeba sdělovačů dále roste.

- 34 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 3. Stanoviště Nejprve byly vybrané měřicí přístroje a ovladače, zpravidla obdobné pro více typů vozidel (rychlost, napětí v troleji, styk se zabezpečovacím zařízením apod.) soustředěny do samostatného panelu. Příkladem může být takový panel určený pro lokomotivu 1016 (ÖBB) podle Obr. 33 podle [34].. Přístroje i ovladače jsou „klasické“, ale standardně uspořádané na jednotném panelu. Zobrazuje se trolejové napětí, tažná resp. brzdná síla, vzdálenost cíle v [m], požadovaná a skutečná rychlost a rychlost v cíli. Jednotlivá tlačítka slouží k obsluze zabezpečovacího a dalších zařízení.

Obr. 33 Sdělovač MFA německých drah (mfa1016.bmp) U procesorově řízených vozidel je problém informování obsluhy popsaným způsobem technicky nerealizovatelný a ovšem ani neodpovídá použitému řídicímu systému. I když řada signálek na pultě i některé měřicí přístroje vždy zbývají (srov. obrázky v předchozí kapitole), stává se hlavním sdělovačem displej. Ten může nahrazovat některé z původních a řadu nových „přístrojů“. Při tom se ale ukázala výhoda analogového zobrazení (například délkou sloupce) proti zobrazení číslicovému i při použití displeje. Základní –provozní -„snímek“ pak může vypadat např. podle Obr. 34 (AVV pro elektrickou motorovou jednotku 471 ČD).

- 35 -


Obr. 34 Provozní snímek displeje elektrické motorové jednotky 471 ČD) (disp_471.bmp) Vlevo jsou uvedeny údaje o času, následující stanici, času příjezdu a korekci tohoto času, sloupcový údaj o požadované a skutečné rychlosti, údaje o následujících omezeních rychlosti a vzdálenosti a některé další údaje. Uprostřed je uvedeno napětí v troleji (T), na filtru (F), poloha hlavního vypínače a stykače K35, návěst na nejbližším návěstidle a potvrzení správnosti přenosu informací z trati. Vpravo je sloupec pro znázornění požadovaného poměrného tahu (brzdy) nebo (podle volby) výkonu odebíraného z troleje a příslušná nastavená omezení, diagnostické údaje a soft tlačítko pro přechod k dalším snímkům. Celkový počet snímků jde ovšem do desítek a zahrnuje prakticky možnost sledovat i ovládat převážnou část funkcí vozidla i celé soupravy v mnoha režimech a provozních variantách. Někdy se dává přednost rozdělení informací na více displejů nebo zobrazovacích jednotek. Často bývá pro diagnostické informace vyhrazena samostatná obrazovka mimo směr hlavního pohledu aby se zjednodušil a zpřehlednil způsob ovládání snímků (viz např. Obr. 28). Jednoduchý vlastní zobrazovač může mít také informační systém pro cestující (Obr. 24). Po modernizacích pražského metra se na displeji zobrazují také potřebné údaje z jízdního řádu (ušetří se místo na pultu – srov. Obr. 25 až Obr. 29) a podobný systém realizuje i DB ([36]).

- 36 -


Obr. 35 Displej lokomotiv DB (Dispadtranz.bmp) Jiný příklad displeje je na Obr. 35 ([37]). Také zde jsou oba „měřicí přístroje“ zobrazeny na displeji spolu s řadou dalších textových a číselných údajů. Displej resp. příslušná zobrazovací jednotka může navíc zahrnovat i funkci některých ovladačů buď formou „SW tlačítek“ tj. tlačítek, jejichž momentální význam je dán textem na displeji (v Obr. 35 dole), přirozeně zároveň se skutečnými tlačítky (v Obr. 35.po straně pro „listování“ a nahoře pro další pevné funkce). Jinou možnost představuje dotyková obrazovka (touchscreen), kdy je možno zadat povel dotykem příslušného místa na obrazovce (kde je druh povelu specifikován). Tímto způsobem se ovládá především systém „snímků“ (bloků informací, zobrazených najednou na displeji, např. tlačítko „Menu“ na Obr. 34), lze tak ale ovládat i některé (méně běžné) funkce vozidla. Pro informování cestujících mimo vozidlo i uvnitř se používají informační tabule. V současnosti se používají především dva typy: s LED diodami a s otočnými terčíky. V obou případech jde o maticový systém, který je schopen v závislosti na velikosti matice zobrazovat libovolné znaky a jednoduché obrázky a je řízen přes sériovou linku a mikroprocesor, který aktivuje ovládací vodiče matic. Matice s LED diodami mají výhodu v tom, že svítí vlastním světlem, s cizím osvětlením se ale kontrast (čitelnost) zhoršuje (např. přímé osvětlení sluncem). Na druhé straně je jejich spotřeba poměrně značná a trvalá (v závislosti na počtu svítících bodů). Velikost „bodů“ je dána průměrem diody a bývá 5 mm, takže velikost tabule je omezena (výška znaku bývá nejvýše asi 60 mm). Terčíková matice sestává z kruhových nebo osmiúhelníkových terčíků, na jedné straně matně černé a na opačné s nějakou kontrastní barvou (např. žlutou). Terčíky jsou v klidové poloze drženy permanentním magnetem v magnetickém obvodu s budicí cívkou (v klidu bez proudu). Impulsem v budicím vinutí změní terčík svoji polohu. Tabule tedy vyžaduje příkon pouze při změně zobrazované informace a zobrazení se nemění i při ztrátě napájení. Terčíky mají nejčastěji průměr 10 nebo 15 mm. Z obou důvodů (spotřeba a velikost) se hodí i pro rozměrné informační tabule. Za šera nebo tmy musí být tabule osvětlena, s osvětlením se její čitelnost zlepšuje.

- 37 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 3. Stanoviště Na vozidlech se používají běžně oba popsané druhy. Pro základní orientaci je v Tab. 2 porovnání některých vlastností obou typů tabulí jednoho výrobce ([35]). Tab. 2 Porovnání některých vlastností informačních tabulí Typ Určení Zobrazovací prvky Průměr „bodu“ Výška znaku

BS 120

BS 150.1

vozidla

stacionární

LED diody

„terčíky“

3 nebo 5mm

10 nebo 15 mm

36 nebo 58 mm

pro D=10 mm: 80 mm, 12 řádek po 37 zn. 220 mm, 3 po 10 znacích

Teplota okolí

-30…+70 °C

-25…+80 °C

Životnost

100000 hod.

>10 překlopení

Spotřeba

2 A/24 Vss

0,5 A/220 V vč. osvětlení

8

Zvláštní postavení má na vozidlech zařízení pro měření a zobrazování rychlosti. U železničních vozidel bylo již na parních lokomotivách spojeno s registrací rychlosti a ujeté dráhy v registrační rychloměr a v současné době jsou zaváděny prakticky u všech vozidel MHD (i vybraných silničních vozidel). Toto zařízení podléhá zvláštnímu schvalovacímu řízení i režimu při použití, protože jde o doklad o průběhu jízdy a činnosti obsluhy v běžném provozu a zejména v případě nehody. Klasické železniční registrační rychloměry pracovaly se snímačem na jedné nápravě a na mechanickém principu, se zápisem rytím na papírovou pásku s voskovou vrstvou (Hassler). Postupně byly zaváděny modernější varianty s elektrickým přenosem signálu o rychlosti z čidla na nápravě do vyhodnocovacího zařízení a v současné době se na drahách používá ukládání informací (zdaleka ne pouze o rychlosti) do zálohované výměnné polovodičové paměti. Tato zařízení pak obstarávala také zobrazování rychlosti. U vozidel s regulací rychlosti je nutno vyřešit problém „jediné rychlosti“. Pro regulaci, zobrazení i registraci je třeba použít jediný „zdroj“. Moderní regulace a především protiskluzová a protismyková zařízení však musí zjišťovat rychlost (otáčky) všech náprav a z nich pak vybrat nebo „rekonstruovat“ skutečnou (pravděpodobnou) rychlost a podle ní regulovat. Nadto protismyková zařízení prochází rovněž mezinárodně stanovenými zkouškami (ovšem jinými, zjišťujícími správný průběh brzdění při smyku viz ETR 8.díl). Tyto údaje i když jsou obecně spolehlivější, získané s větší redundancí nelze bez dalšího použít pro záznam a regulaci. Dnes u ČD používaná Elektronická rychloměrná souprava LT (Metra Blansko) představuje již komplexní procesorové záznamové zařízení, které •

snímá rychlost (jedné nápravy), tlak vzduchu v průběžném potrubí (sledování činnosti

průběžné brzdy) a čas z vlastních čidel, •

snímá řadu údajů z regulace vozidla (např. požadovanou rychlost a tažnou sílu),

•

snímá signály ze zabezpečovacího zařízení,

•

uvedené veličiny zaznamenává spolu s dalšími 16 (32…) dalšími logickými signály z vozidla, - 38 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 3. Stanoviště •

prostřednictvím kontaktů relé umožňuje výstup logických signálů,

•

ovládá samostatný sdělovač (viz Obr. 29 vpravo vedle displeje) s údaji o požadované a

skutečné rychlosti, čase a s klávesnicí pro zadávání hodnot, identifikujících vozidlo, obsluhu, vlak a řadu dalších údajů. Z LT se také získává rychlost pro regulátor rychlosti. Ostatní výše uvedená zařízení pak pracují z vlastních otáčkových čidel (kterých může být poměrně hodně). Při pozorném sledování Obr. 23 až Obr. 31 zjistíme, že čas (hodiny) nejsou nikde výrazně vidět, ačkoliv jde pro dopravu nepochybně důležitý údaj. Ve skutečnosti je čas znázorněn na displeji, pokud je jím stanoviště vybaveno (Obr. 28, Obr. 29, Obr. 31), tzn. jen u moderních vozidel. To je dáno možností přenosu jednotného času na vozidlo. Před érou bezdrátového a satelitního přenosu přesného času bylo možno synchronizovat čas na dráze pouze po zvláštních linkách (po drátě) od centrálních matičních hodin do všech stanic a strojvedoucí na trati se řídili vlastními hodinkami, které si podle nich korigovali.

- 39 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 4. Řízení jízdy

4 ŘÍZENÍ JÍZDY Základním dynamickým parametrem vozidla z hlediska řízení je rychlost. Jako vektor se vyznačuje směrem a velikostí. S výjimkou trolejbusů může směr nabývat pouze dvou hodnot, vpřed a vzad a jeho řízení není třeba zvlášť rozebírat. Řízení „směru jízdy“ je dáno postavením výměn, které jsou ovládány z pevných stanovišť (hradel, stanic, dispečerských stanovišť) a obsluha vozidla na ně nemá přímý vliv. Vlastní řízení jízdy (činnost trakčního vozidla) se děje součinností obsluhy a automatizačních zařízení na vozidle a informací a povelů, přenášených na vozidlo z pevných stanovišť (viz předchozí kapitoly). Podíl jednotlivých uvedených složek závisí na technickém řešení vozidla a množství a zabezpečení na vozidlo přenášených informací. Velikost rychlosti na straně vozidla ovlivňuje tažná a brzdná síla na obvodu kol podle základního pohybového zákona. Řízení tažné a brzdné síly (dynamické brzdy) odpovídá řízení momentu trakčních motorů a je u různých vozidel obdobné, jeho rychlost odezvy neomezuje zpravidla řízení. Řízení brzdné síly vyvozené mechanickými brzdami se už může v závislosti na provedení vozidla lišit dosti podstatně a tam, kde má převažující význam (viz. díl 8. Elektrické řízení brzd) může mít významný vliv na řízení resp. jeho automatizaci. V dalším budeme považovat soupravu z dynamického hlediska za „hmotný bod“ podle Obr. 36a). Při pohybu přes zlom nivelety podle Obr. 36b) je však zřejmý vliv délky soupravy na průběh rychlosti a při změnách tažných nebo brzdných sil se navíc uplatní i pružné spojení (případně vůle, tlumení atd.) ve spojení jednotlivých vozidel (Obr. 36c). Tak mohou vznikat podélné rázy v dlouhých soupravách, které mohou vést i k přetržení vlaku (obyčejně ve 2/3 délky za lokomotivou). Při ručním řízení respektuje tyto skutečnosti podle zkušenosti strojvedoucí, při automatickém řízení musí totéž zajistit regulátory.

Obr. 36 Různé možnosti reprezentace soupravy (vlak.dwg) V dalším se omezíme na řízení jízdy. Řízení ostatních zařízení, pomocných pohonů, vlastní spotřeby, informačních systémů aj. bylo alespoň povšechně zmíněno dříve.

4.1

DYNAMIKA JÍZDY A TACHOGRAMY Pohyb vozidla (soupravy) se řídí základním pohybovým zákonem, v našem případě ve tvaru r. 1

a=

Fa Fok − F0 − Fs = Gr ξr G

[m / s , kN, t ] 2

- 40 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 4. Řízení jízdy kde Fa je urychlující síla, Fok tažná resp. brzdná síla na obvodu kol (pokud neuvažujeme neadhezní brzdění), F0 síla potřebná na překonání jízdních odporů (nemůže být příčinou pohybu!), Fs síla pro překonání traťových odporů (především ze sklonu, ta naopak může být příčinou pohybu),

Gr redukovaná hmotnost (vliv rotujících hmot). Urychlující síla závisí obecně na čase (na povelech, rychlosti, místě na trati), takže i zrychlení na čase obecně závisí. Za běžných provozních poměrů je tažná síla na obvodu kol hlavní složkou, která určuje pohyb. Ostatní síly se mění relativně pomalu. Pro zajištění bezpečnosti cestujících i nákladu je třeba, aby se zrychlení neměnilo příliš rychle. Tomu odpovídá podle předchozího r. 2

b=

da 1 d 1 dFok = (Fok − F0 − Fs ) ≈ dt ξ r G dt ξ r G dt

[m / s , m / s , s, kN, t ] 3

2

Veličina b se nazývá „trhnutí“ (německy rück, anglicky jerk) a její maximální hodnota bývá předepsána jednak u vozidel MHD a metra (ohled na cestující), jednak u (dlouhých) vlaků s ohledem na nebezpečí vzniku podélných rázů v soupravě (srov. s výkladem o dynamických vlastnostech 3

vlakové brzdy v 8. díle). Konkrétní hodnoty pro MHD se pohybují nejčastěji v rozmezí 0,2…0,5 m/s . Pokud má být veličina b dodržena i při proměnlivé zátěži je třeba podle ní upravit rychlost nárůstu tažné síly. To se požaduje u vozidel MHD a zvláště metra. Momentální hmotnost vozidla (obsazení cestujícími) lze zjistit podle průhybu pružin nebo tlaku vzduchu ve vzduchovém vypružení. Pokud je to zapotřebí zajistit i u vlaku, musí být tento údaj vložen ručně obsluhou na stanovišti. Omezení rychlosti změn zrychlení je třeba respektovat jak pří nárůstu či poklesu tažné síly tak i při změnách brzdné síly. To „komplikuje“ poměry především při regulaci rychlosti a cílovém brzdění (jak ukážeme dále). Pro ostatní pohybové veličiny pak platí za předpokladu konstantního b známé rovnice (v této kapitole budeme pro jednoduchost výrazů všude počítat s rychlostí v m/s místo v km/h) t

a(t ) = a(0 ) + b dt = a(0 ) + b . t

∫ 0 t

r. 3

v (t ) = v (0 ) + a(t ) dt = v (0 ) +

∫ 0

t

∫ [a(0 ) + bt ]dt = v (0 ) + a(0 ). t + 2 b . t 1

2

0

t

L(t ) = L(0 ) + v (t ) dt =L(0 ) + v (0 ). t +

∫ 0

1 1 a(0 ). t 2 + b . t 3 2 6

Rovnice r. 2 a r. 3 jsou východiskem všech dynamických výpočtů (spolu s trakčními a brzdovými charakteristikami, údaji o jízdním odporu a profilu trati a dalšími údaji). Průběh jízdy lze znázornit v závislosti na čase a pak hovoříme o tachogramu. Kromě rychlosti lze do stejného diagramu vynést i řadu dalších pohybových veličin, zejména zrychlení, tažnou sílu, ujetou dráhu, i veličin odvozených, např. proud motorů, oteplení jednotlivých zařízení, spotřebu aj. V Obr. 37 je uveden příklad tachogramu pro vozidlo s hmotností 50 t, s maximálním zrychlením i 2

3

3

zpomalením 1 m/s , nárůstem v tahu 0,1 m/s , při brzdění 0,2 m/s a konstantní sílu F0 pro překonání 0

0

jízdních a traťových odporů, odpovídající jízdnímu odporu 5 /00 na sklonu 25 /00. Tyto hontoty jsou - 41 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 4. Řízení jízdy voleny tak, aby byly jednotlivá fáze jízdy zřetelně znázorněny. Na tachogramu jsou vyznačeny hlavní fáze jízdy: •

“natahování”, kdy je souprava v klidu a tažná síla roste, až překročí velikost sil pro překonání

jízdních a traťových odporů (0…3s ), •

nárůst tažné síly za současného nárůstu zrychlení a rychlosti až do okamžiku dosažení

konečné hodnoty tažné síly (3…10 s), •

rozjezd (stálou) tažnou silou až do okamžiku, kdy je třeba začít snižovat tažnou sílu tak, aby

nebyla překročena maximální požadovaná nebo dovolená rychlost (10…20,5 s), •

“navedení” na požadovanou rychlost, tažná síla se snižuje tak, aby byla dodržena hodnota

b a to až na hodnotu, odpovídající síle pro překonání jízdních a traťových odoporů 20,5…27,5 s), •

jízda stálou rychlostí, tažná síla se řídí tak, aby byla rovna (případně proměnným) silám

z jízdních a traťových odporů (27,5…31,5 s), •

výběh, kdy tažná síla je nulová a průběh rychlosti ovlivňují pouze odpory (31,5…34,5 s),

•

brzdění, brzdná síla (záporná) narůstá požadovanou rychlostí až do dosažení požadované

hodnotybrzdné síly, zrychlení klesá do záporných hodnot (34,5…40 s), •

brzdění stálou brzdnou silou (43,5…50 s),

•

odbrzďování, snižování brzdné síly tak, aby bylo dosaženo cílové rychlosti (zastavení)

s nulovým zrychlením, plynule (50…52,5 s), •

stání vozidla (52,5… s).

Tachogramy nemusí přirozeně obsahovat všechny uvedené fáze resp. některé se mohou vyskytovat opakovaně tak, jak se mění traťové poměry, dovolená nebo dosažitelná rychlost apod.

60

600

Fok V Fa

400

L

Fo=konst.

20

200

0

0

-20

-200 Fok

-40

-400 Fa

-60

-600 0

5

10

15

20

25

30

35

40

t [s] Obr. 37 Tachogram (tacho.xls) - 42 -

45

50

55

L [m]

V [km/h], Fok, Fa, Fo [kN]

40

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 4. Řízení jízdy Tachogramy jsou nejjednodušším a přirozeným znázorněním jízdy a dějů s ní spojenými. Pro dopravu je však prioritní ujetá dráha, na ní závisí změny profilu, umístění návěstidel, místa omezení rychlosti a zastavení. K těmto účelům se lépe hodí znázornění rychlosti na dráze, označované jako hodogram. V podstatě jde o znázornění pohybu „pracovního bodu“ ve fázové rovině (rychlost je derivací dráhy). Hodogram odpovídající jízdě podle tachogramu z Obr. 37 je na Obr. 38.

50 45 40

V [km/h]

35 30 25 20 15 10 5 0 0

50

100

150

200

250

300

350

400

L [m] Obr. 38 Hodogram (tacho.xls) Průběh rychlosti v závislosti na dráze pro konstantní b je obecně dán dvěma posledními z rovnic r. 3 parametricky s parametrem t. Vzhledem ke tvaru rovnic lze z nich vyloučit čas jen v nejjednodušších případech. Za předpokladu, že L0 = v 0 = a0 = 0 a b=konst. platí postupně

L=

1 3 bt 6

v=

1 2 1 3 6 L  1 2 bt = b  = 3 36 b L 2 2  b  2

r. 4

⇒ t =3

6L b 2

Během nárůstu tažné síly odpovídá průběh rychlost semikubické parabole (s vodorovnou osou). Za předpokladu, že a0=konst. a L0 = v0 = b = 0 , tzn. rozjezd stálým zrychlením z klidu, platí

- 43 -


L= r. 5

1 a0 t 2

⇒t =

v = a0 t = a0

2L a0

2L = 2 a0 L a0

Křivka rychlosti odpovídá parabole. V ostatních případech (navedení a rozjezd/brzdění) se jedná o části těchto křivek. Pro praktický výpočet je třeba použít parametrické vyjádření. Další možností je zobrazení pohybu pracovního bodu v poli trakčních a brzdových charakteristik. Pro zadání jako v Obr. 37 s doplněním obrysů je průběh uveden v Obr. 39. 80 60

Fok [kN]

40 20 0 -20 -40 -60 0

10

20

30

40

50

60

70

V [km/h]

Obr. 39 Pohyb pracovního bodu v poli trakčních a brzdových charakteristik (tacho.xls) Pro zběžné výpočty se často průběh tachogramů zjednodušuje zanedbáním doby nárůstu (poklesu) tažné síly resp. zrychlení. Tím se dopouštíme chyby, která je patrná z Obr. 40. Průběhy odpovídají dříve použitým hodnotám a to jednak pro případ lineárního nárůstu zrychlení (b=konst.), jednak pro skokový nárůst zrychlení (a=konst.). 10 9

V [m/s]

8 7

a=1 m/s/s=konst.

6 5 4 3 2 b=0,1 m/s/s/s=konst.

1 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

t [s]

Obr. 40 Detail průběhu rozjezdu (tacho.xls)

- 44 -

10

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 4. Řízení jízdy Pro nulové počáteční hodnoty, předepsané hodnoty rychlosti nárůstu zrychlení b a konečného zrychlení ar plyne z rovnic r. 3 pro dobu nárůstu, koncovou rychlost a ujetou dráhu postupně r. 6

tr =

ar b

vr =

1 2 1 ar2 b tr = 2 2 b

Lr =

1 3 1 ar3 b tr = 6 6 b2

zatímco pokud je zrychlení od počátku konstantní dostáváme r. 7

v rx = ar . t r =

ar2 b

Lxr =

1 x 1 ar3 v r tr = 2 2 b2

Je patrné, že na konci nárůstu je rychlost poloviční a dráha třetinová než v případě skokového nárůstu jak to odpovídá Obr. 40. Jízdní doba se prodlužuje o polovinu doby tr . Do jaké míry je toto zjednodušení přijatelné závisí především na velikosti zrychlení. Obecně pro vozidla MHD může být chyba znatelná jako v konkrétně znázorněném případě (jízdní doby vycházejí po zjednodušení zřejmě kratší než při přesném výpočtu a než ve skutečnosti). Pro znázornění navádění na požadovanou rychlost a případně pro další obdobné regulační procesy se používá také znázornění „pohybu pracovního bodu“ ve fázové rovině zrychlení-rychlost. Použití bude ukázáno dále. Uvedené diagramy slouží k přehlednému znázornění vlastností vozidla (soupravy) například •

opakováním zvoleného tachogramu pro určení konečného oteplení při cyklické zátěži,

•

určení maximálního nebo rozjezdového zrychlení a/nebo brzdného zpomalení za

předepsaných okolností, •

určení minimálních jízdních dob na zadané trati,

•

určení spotřeby energie ev. její závislosti na jízdní době a mnoho dalších.

Hlavní význam mají tachogramy pro návrh a posuzování vozidel MHD, metra a vozidel příměstské dopravy, kde jsou důležitější než trakční či brzdové charakteristiky. U lokomotiv hraje dosti podobnou roli zátěžový diagram (viz 1. díl). Ve skutečných případech se setkáváme se značně složitějšími případy, kdy se mohou překrýt různé fáze navedení na konečné zrychlení, rychlost s naváděním na sníženou rychlost, brzdění k cíli aj. Obecné řešení (program) pro složitější traťové a provozní poměry je nečekaně složité pokud má být dostatečně obecné. Poměry při regulaci na stálé zrychlení a rychlost jsou v podstatě triviální (pohyb rovnoměrně zrychlený/zpomalený a rovnoměrný). Případy přechodů mezi těmito režimy rozebereme za zjednodušujících předpokladů dále.

4.2

SPOTŘEBA ENERGIE Jak bylo uvedeno výše, je určení spotřeby energie pro jízdu s pomocí tachogramů častou a

důležitou úlohou. Vzhledem k omezeným možnostem uvedeme nyní pouze základní vztahy a některé poznámky, které s touto problematikou souvisejí. Příkon vozidla z troleje nebo z vlastního zdroje elektrické energie se spotřebuje (máme na mysli pouze vozidla s hospodárným způsobem regulace)

- 45 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 4. Řízení jízdy •

na krytí ztrát v trakčních obvodech a v přenosu momentu na obvod kol (ztráty v převodech);

tyto ztráty závisí při stálém napětí v troleji momentální rychlosti a tažné síle, tedy na hodnotách z tachogramu; údaje o ztrátách jednotlivých zařízení lze určit z účinnosti (pokud je udána, jinak ji je třeba odhadnout), zpravidla pouze pro jmenovité zatížení, pro ostatní režimy je ztráty nutno alespoň přibližně přepočítat podle obecných závislostí (některé postupy byly uvedeny v příslušných dílech), •

pro napájení pomocných pohonů, vlastní spotřeby a spotřeby soupravy; při tom pouze

spotřeba ventilátorů (při řízené ventilaci) závisí na trakčním režimu, o ostatních se obyčejně předpokládá, že jsou konstantní (ovšem v průměru menší než jejich instalovaný výkon), •

na vlastní výkon trakčního vozidla na obvodu kol POK

Tento výkon se na soupravě o hmotnosti G využívá •

pro překonání jízdních odporů (včetně přídavných odporů v oblouku a účinným skluzem); 0

pro jeho velikost platí (poměrný jízdní odpor se vyjádří poměrným číslem, nikoli v /00!)

P0 = F0 v = p0 g G v

r. 8 •

[kW , kN, m / s,1, m / s , t, m / s ] 2

pro změnu potenciální energie soupravy; jestliže h je výška těžiště soupravy a s sklon (jako

poměrné číslo) platí

Pk =

r. 9 •

dE p

=

dt

[

]

d (g G h ) = g G d h = g G s v kW , kWs, m / s 2 , t, m, m / s ; h = s . L ; dL = v dt dt dt

pro změnu kinetické energie r. 10

Pk =

( )

dE k d 1 d v2 1 dv  1 = G2v = ξr a G v  Gr v 2  = ξ r G dt dt  2 2 dt 2 dt 

Výkon vozidla na obvodu kol se tedy rovná r. 11

 a POK =  p0 + s + ξ r  g G v g 

Časový integrál výkonu představuje práci resp. energii. Pokud v daném časovém intervalu se výkon nemění (nebo uvažujeme již hodnoty střední), dostáváme pro složky celkové práce r. 12

  a a AOK =  p0 + s + ξ r  g G v t =  p0 + s + ξ r  g G L g g  

[kWs, m / s , t, m] 2

První část představuje v podstatě práci na překonání tření, která se mění v teplo a je z hlediska energetická ztracena. Druhé dvě složky mohou být využity buď přímo výběhem při jízdě se spádu nebo setrvačností nebo nepřímo rekuperačním brzděním. Rekuperovaná energie je (v optimálním případě) nižší o ztráty při dvojí přeměně energie. Přes to rekuperace je jediným významným zdrojem úspor energie a to zvláště tam, kde se jedná o časté rozjezdy a brzdění (vozidla MHD) nebo při jízdě na dlouhých spádech. V dopravě se pro vyjádření energetické náročnosti používá veličina měrné dopravní práce, která je vztažena na hmotnost a vzdálenost. Z r. 12 platí

- 46 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 4. Řízení jízdy r. 13

α=

AOK = (p0 + s ) g + ξ r a GL

[kWs / t / m , t, m , m / s ] 2

nebo s použitím běžně používaných jednotek r. 14



α = 2,72  p0 + s + ξ r 

a  g 

[Wh / tkm,

0

/ 00 , m / s 2

]

Při výpočtu je zřejmě třeba odhadovat řadu parametrů a výsledky je tedy nutné posuzovat z tohoto zorného úhlu.

4.3

ŘÍZENÍ TAŽNÉ/BRZDNÉ SÍLY, ZRYCHLENÍ Řízení tahu je základním způsobem řízení pro elektrická vozidla s plynulou regulací závislé trakce

(u nezávislé se řídí prvotně především výkon). Toto řízení mají prakticky všechna uvedená vozidla jako •

provozní způsob řízení (tramvaje, trolejbusy apod.), řízení je jednoduché a odpovídá řízení

silničních vozidel, •

nouzový způsob řízení u vozidel s vyššími automatizačními systémy při poruše vyšších

automatizačních prostředků, •

řízení ve zvláštních případech (při manipulaci se sólo lokomotivou, při jízdě na postrku),

•

jako základní regulační smyčku dalších regulátorů.

U vozidel se stejnosměrnými trakčními motory byla zpravidla realizována přibližně, jako proudová regulační smyčka. Velikost tahu (a rychlost jeho změn) může být za určitých okolností omezena, například s ohledem na •

velikost zrychlení (sólo lokomotiva, posun),

•

momentální adhezní podmínky (předcházení skluzu),

•

při poruchových jízdních režimech (např. snížení nebo výpadku chlazení),

•

omezení velikosti odebíraného výkonu (časté u zahraničních lokomotiv),

•

dynamické vlastnosti soupravy aj.

Pro řízení elektrodynamické brzdy platí prakticky totéž, co bylo uvedeno pro tah. Mechanické brzdy (vlaková brzda) mají samostatné ovládání a vlastnosti přizpůsobené danému provoznímu nasazení (blíže viz 8. díl). Přímé (ruční) řízení tahu (nebo proudu motorů) pro provozní případy se obyčejně řeší přírůstkovým ovladačem, protože pak lze snadno zamezit příliš rychlým změnám (nastavením vhodné konstanty následujícího integračního členu). I když hovoříme o řízení tahu můžeme mít na mysli několik různých způsobů, které se více či méně liší. Porovnání je zřejmé z následujících Obr. 41 a Obr. 42.

- 47 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 4. Řízení jízdy 250 200 kN 200

Fok [kN]

150 kN 150

100

80 kN

50

0 0

20

40

60

80

100

120

140

V [km/h]

Obr. 41 Přímé řízení tažné síly (pt.xls) V prvním případě jde skutečně o regulaci tažné síly v celém rozsahu trakčních charakteristik. Je ovšem zřejmé, že pouze některé tažné síly (v Obr. 41 do 70 kN) jsou realizovatelné v celém rozsahu rychlostí. V ostatních případech nemusí mít v některých případech změna zadání na skutečnou tažnou sílu vliv (bez dalšího ani při požadavku na snížení tažné síly!). Také zatížení elektrické výzbroje vozidla se při stejném zadání může v dosti širokých mezích měnit a tak neposkytuje ani přibližnou představu např. o oteplení jednotlivých zařízení. Jednodušší a pro vozidla se stejnosměrnými motory nejběžnější je řízení tahu regulací proudu podle Obr. 42. I v tomto případě se vyskytují případy, kdy nelze požadavek splnit, ale jsou spíše výjimečné (pro uvažovaný tvar obrysu a velké proudy). Zadání proudu je ovšem přímou informací o (především tepelném) zatížení motorů i měničů

- 48 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 4. Řízení jízdy 250 1,33*Ijm 200

Fok [kN]

Ijm 150

100

0,53*Ijm

50

0 0

20

40

60

80

100

120

140

V [km/h]

Obr. 42 Řízení podle proudu motorů (pt.xls) Vhodné by bylo také řízení zrychlení, ale to by vyžadovalo jeho měření otáčkovým čidlem (viz též 7.díl). Souvislost se zatěžováním je v tomto případě ještě zprostředkovanější. Obvykle se nepoužívá. O dalším způsobu, řízení prostřednictvím regulace poměrného požadovaného tahu pojednáme v následující kapitole. Při řízení tahu se jedná v podstatě o řízení zrychlení (zpomalení). Mezi oběma veličinami platí vztah r. 1, který obsahuje proměnlivé parametry. V dalších úvahách budeme pracovat přímo se zrychlením s tím, že zhruba odpovídá tažné síle a omezíme se na případy navádění na požadované zrychlení (zpomalení). V Obr. 43 jsou uvedeny dva základní případy odpovídající nárůstu zrychlení (tažné síly) a zpomalení (brzdné síly). S použitím označení podle Error! Reference source not found. a r. 3 dostáváme (při respektování znamének pro oba případy)

a(t ) = b . t r. 15

⇒ t

ac = b . ∆t

v (t ) = v 0 + a(t ) dt = v 0 +

∫ 0

1 2 bt 2

⇒ ⇒

- 49 -

∆t =

ac b

∆v = v (∆t ) − v 0 =

ac2 b


Obr. 43 Navádění na cílové zrychlení (cb.dwg) Obecně jsou tyto děje obecně popsány soustavou jednoduchých diferenciálních rovnic prvního řádu (r. 2 a r. 3)

r. 16

dv 1 = [Fok (t ) − F0 (v ) − Fs (L)] dt ξ r G dL =v dt

Počáteční podmínky a funkční závislosti na pravé straně jsou dány, takže numerické řešení je jednoduché.

4.4

ŘÍZENÍ RYCHLOSTI Řízení pro dosažení a udržení požadované rychlosti má smysl pouze u vozidel, kde jsou

předpoklady pro její využívání na přiměřeně dlouhých traťových úsecích. Další podmínkou využití je zapojení brzdy tak, aby bylo možno řídit rychlost i na spádu nebo pro snížení rychlosti. Problémem může být i získání informace o skutečné rychlosti, pokud možno neovlivněné skluzy či smyky a ovšem bezpečně. Ztráta informace o rychlosti představuje pro příslušný regulátor přerušení zpětné vazby a ten má tendenci k trvalému zvyšování rychlosti. Proto jsou zvláště při rozjezdu z klidu zaváděna další kontrolní opatření (viz polohu „Souhlas“ u hlavní jízdní páky v kap. 5.1.1). Kromě rychlosti se ve vztazích vyskytuje také zrychlení, které je třeba získat derivací měřené rychlosti. O souvisejících problémech bylo pojednáno v 7. díle a v kap. 3.4. Pro dosažení cílové rychlosti je třeba řídit tažnou nebo brzdnou sílu tak, aby tato rychlost byla dosažena s dodržením rychlosti změn sil resp. zrychlení a aby všechny přechody při zvyšování i snižování probíhaly aperiodicky. Hlavním úkolem v tomto případě je stanovit okamžik, ve kterém je třeba sílu začít měnit (a v jakém smyslu ). V okamžiku dosažení rychlosti musí velikost tažné síly odpovídat rovnoměrnému pohybu – zrychlení musí být nulové. Při ručním řízení je navádění na cílovou rychlost a její udržování závislé na zkušenosti obsluhy a vyžaduje trvalé sledování skutečné rychlosti. Při regulaci rychlosti přebírá tuto činnost regulátor.

- 50 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 4. Řízení jízdy Dva základní případy navedení na cílovou rychlost jsou v Obr. 44 (který je obdobou Obr. 43). S použitým označením lze pro oba případy psát

Obr. 44 Navádění na cílovou rychlost (cb.dwg)

a(∆t ) = a0 + b . ∆t = 0

a(t ) = a0 + b . t t

v (t ) = v c − ∆v + a(t ) dt = v c − ∆v + r. 17

t

∫

∫ (a

0

0

0

⇒ ∆t = −

a0 b

+ b . t ) dt = v c − ∆v + a0 t +

1 2 bt 2

1 1 a2 v ( ∆t ) = v c − ∆v + a0 ∆t + b ∆t 2 = v c ⇒ ∆v = a0 ∆t + b ∆t 2 = − 0 2 2 2b ∆t

∆t

0

0

1 1    L = ∫ v (t ) dt = ∫  v c − ∆v + a0 t + b t 2  dt =... =  v − ∆v 

2





3

a   . ∆t = − 0 b 

2    v c − 1 a0   6 b  

Podle vztahu r. 17 lze při znalosti dovoleného b a momentálního zrychlení a0 určit rychlost (odchylku ∆v od cílové rychlosti v c ), při níž je třeba se snižováním tažné síly začít. Průběh rychlosti při navádění je parabola (se svislou osou) podobně jako při nárůstu tahu, protože děj je popsán stejnými rovnicemi (r. 16). Pokud by koeficienty nebyly konstantní je třeba použít řešení numerické. Na rozdíl od předešlého případu však nejsou dány počáteční nýbrž koncové podmínky. To při numerickém řešení vede k iteračnímu výpočtu a při práci v reálném čase k nutnosti průběžné korekce b = b (t ) v průběhu navádění. Hodnotu b je třeba potřebným způsobem korigovat. Aby to bylo možné, musí mít příslušný regulátor pro svoji činnost „prostor“ pro změnu b směrem k menším i větším hodnotám. Aby i při těchto odchylkách nebylo dovolené bmax překročeno, musí být jeho jmenovitá hodnota nastavena níže. Maximální dovolená hodnota pak bude dosažena jen výjimečně. Průběžné sledování dynamiky jízdy je nezbytné i v dalších případech. Proces najíždění s tahem i navádění na cílovou rychlost lze znázornit také ve fázové rovině v – a podle Obr. 45. Při tom je třeba mít na paměti, že bezprostředně se ovládá tažná síla a zrychlení i jeho změny závisí především na hmotnosti a také na dalších proměnných veličinách podle r. 1.

- 51 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 4. Řízení jízdy 1,2 1,0

a [m/s/s]

0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0

10

20

30

40

50

60

70

V [km/h] b=0,10

b=0,11

b=0,09

Obr. 45 Rozjezd na cílovou rychlost ve fázové rovině (tacho xls) Průběhy pro nárůst a pokles zrychlení jsou vyjádřeny následujícími vztahy (vyjadřují parabolický průběh)

r. 18

a = 2 bv a = a02 − 2 (v c − v ) = a02 − 2 b ∆v

V Obr. 45 je také znázorněn důsledek nepřesně určených (změřených) nebo proměnných poměrů při navádění. Při navádění na rozjezdové zrychlení mají odchylky za následek pouze to, že konečné zrychlení bude dosaženo dříve nebo později než odpovídá předpokladu. Navádění by tedy zdánlivě nebylo třeba nějak zvlášť sledovat. Při podobné chybě v průběhu navádění na cílovou rychlost by nebyla cílová rychlost dosažena nebo by byla naopak překročena. Průběžné korekce jsou tedy nutné. Na rozdíl od dosud uvedených případů může nastat případ, kdy konečného zrychlení není vůbec dosaženo (Obr. 46, ve fázové rovině, podobně jako v předchozím případě). Situace nastává v případech, kdy rozdíl mezi výchozí a cílovou rychlostí je menší než zhruba 2 ∆V (r. 17). Aby i v tomto případě proběhlo navedení na cílovou rychlost správně je nutno sledovat průběh jízdy trvale a přejít z nárůstu na pokles tažné síly při hodnotě ∆V , která odpovídá momentálním poměrům.

- 52 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 4. Řízení jízdy 1,2 1,0

a [m/s/s]

0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0

5

10

15

20

25

30

35

V [km/h]

Obr. 46 Případ nedosažení plného rozjezdového zrychlení (tacho.xls) Ačkoliv průběhy všech veličin při brzdění jsou vyjádřeny stejnými obecnými rovnicemi (r. 3) a přechody mají ve všech případech obdobný tvar (paraboly) je vhodné pojednat o brzdění zvlášť.

4.5

CÍLOVÉ BRZDĚNÍ V rozhodujícím počtu případů nejde při brzdění pouze o to, dosáhnout cílové rychlosti

(aperiodicky a s respektování omezení rychlosti změn sil), nýbrž také ji dosáhnout v předem daném místě na trati. Jedná se tedy zpravidla o cílové brzdění. V průběhu řízení je proto třeba sledovat jako dříve zrychlení, rychlost a nyní i polohu vozidla na trati a podle potřeby regulovat tažnou a/nebo brzdnou sílu. Přirozenou podmínkou pro cílové brzdění je znát •

vlastní polohu,

•

polohu cíle,

•

předepsanou rychlost v cíli a případně také

•

traťové poměry (např. sklon) na trati do cíle.

Tyto informace je nezbytné na vozidlo přenést v průběhu jízdy, například některým ze způsobů, popsaných v kap. 2. Kromě toho může nastat situace, kdy se může uplatnit více cílů v různých místech a s různými cílovými rychlostmi. Mohou to být zejména •

návěsti,vyžadující snížení rychlosti nebo zastavení (při tom se zpravidla předpokládá

zastavení v bezpečné vzdálenosti před návěstidlem), •

zastavení v zastávce nebo stanici, (požaduje se ovšem zastavení pokud možno přesně na

předepsaném místě u nástupiště), •

místa na trati s trvale nebo dočasně sníženou dovolenou rychlostí.

Každý těchto případů vyžaduje určitý způsob jízdy tj.průběh rychlosti vzhledem k dráze do cíle, při čemž se musí realizovat nejnižší ze všech požadovaných rychlostí.

- 53 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 4. Řízení jízdy Z toho co bylo řečeno je zřejmé, že jde o úkol daleko složitější než při řízení rychlosti. Matematicky je řešení nyní dáno obecně třemi diferenciálními rovnicemi podle r. 3 se zadanými omezeními a okrajovými podmínkami (rychlost a zrychlení na začátku i konci předepsané vzdálenosti). Analytické řešení nepřipadá s výjimkou nejjednodušších případů v úvahu a numerické vyžaduje vícenásobné iterace. Řešení táto úlohy v reálném čase (při jízdě) je s přihlédnutím k proměnlivosti parametrů regulací je velmi náročné. Při ručním řízení vyžaduje značnou zkušenost a znalost traťových podmínek. Situace je ještě poměrně příznivá v případech, kdy je rozhodující část brzdné práce realizována elektrodynamickou brzdou. Její dynamické vlastnosti jsou prakticky stejné jako v tahu, její reakce jsou dostatečně rychlé (ovšem s popsanými omezeními). To se týká především vozidel MHD a metra, případně předměstských jednotek. Z nich má smysl požadovat cílové brzdění u metra a jednotek. U nich se zpravidla požadují (povolují) poměrně rychlé změny tažných (brzdných) sil. Při cílovém brzdění je třeba stanovit okamžik resp. vzdálenost od cíle tak, aby byla cílová rychlost v cíli právě dosažena. Analytický výpočet za předpokladu stálosti všech parametrů je proveden s označením podle Error! Reference source not found.. Pro jednoduchost předpokládáme hodnoty pro nárůst i pokles brzdné síly b1 , b2 v absolutní hodnotě stejné.

Obr. 47 Tachogram navedení na sníženou rychlost Pro dráhu, ujetou při navádění na brzdové zpomalení a na cílovou rychlost platí výsledky, uvedené dříve (r. 15 a r. 17) a pro úsek brzdění stálým zpomalením r. 19

tb =

(v c + ∆v ) − (v0 − ∆v ) , ab

Lb =

(v c + ∆v ) + (v0 − ∆v ) . t 2

b

Po úpravách dostáváme pro celkovou dráhu do cíle r. 20

L = ∆L1 + Lb + ∆L2 = ... = −

1 2 ab

2  2 a  2 v 0 − v c + (v 0 + v c ) b  b2  

- 54 -

=

[

1 (v c + ∆v )2 − (v0 − ∆v )2 2 ab

]

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 4. Řízení jízdy Ještě složitější jsou poměry v případě, kdy je (pro brzdění delších vlaků) nezbytné použít vlakovou brzdu. Její dynamické vlastnosti (rychlost brzdění a zvláště odbrzďování) jsou jednak vzhledem k použitému systému, jednak s ohledem na dynamické vlastnosti soupravy silně omezeny a při brzdění se zpravidla musí přejít z nárůstu brzdné síly opět do odbrzďování. Plného účinku provozního brzdění se dosáhne spíše výjimečně. Případ lze analyticky řešit podobně jako v předchozím případě, ovšem skutečnost se výpočtu liší ještě výrazněji vzhledem ke zmíněným vlastnostem brzdy. Výhodná je kombinace i poměrně málo výkonné, ale rychle působící elektrodynamické brzdy lokomotivy s výkonnou, ale pomalu působící vlakovou brzdou, protože dynamická brzda může zřetelně „vylepšit“ výsledné dynamické vlastnosti při brzdění. V praxi se řídí průběh rychlosti při přibližování se k cíli podle „naváděcí paraboly“, která v podstatě odpovídá parabole, uvedené v Obr. 38 pro brzdění. Její průběh je vypočten pro konkrétní traťové poměry s potřebnou bezpečností a s rezervou, respektující nárůst a pokles brzdné síly. Celý děj musí být přirozeně průběžně regulován. Další údaje jsou uvedeny v kap. 5.

4.6

VÝBĚH A OPTIMALIZACE JÍZDY Jízda s využitím krajních dovolených hodnot nárůstu, zrychlení při rozjezdu i brzdění a

dovolené rychlosti vede k nejkratším možným jízdním dobám, ale na druhé straně také k největší spotřebě energie. Pokud se tedy spokojíme s delšími jízdními dobami lze spotřebu snížit. Při tom se ukazuje (pro malé změny), že zhruba procento nárůstu jízdní doby odpovídá procentu poklesu spotřeby.

- 55 -


Obr. 48 Tachogramy s použitím výběhu (vybeh.dwg) Úspora při prodloužení jízdní doby se dosáhne zařazením výběhu, kdy se souprava pohybuje pouze setrvačností (při tom ovšem nesmí být překročena dovolená rychlost na daném úseku). Za zjednodušených poměrů (skokové změny zrychlení) to ilustruje Obr. 48. Dráha musí být pro všechny případy stejná (vzdálenost míst zastavení), je dána plochou pod křivkou rychlosti (r. 3). V Obr. 48 jsou uvedeny tři případy tachogramu se stejnou ujetou dráhou v různých časech ( t1, t2 , t3 ). V prvním případě je dosaženo minimální možné jízdní doby, v ostatních je zařazen výběh. Při využívání výběhu se z provozních důvodů (propustnost tratě a zhlaví) předpokládá, že se dodrží minimální konečná rychlost výběhu. V dalších diagramech je pro jednotlivé případy znázorněn schematicky průběh výkonu odebíraného z troleje. Z porovnání je zřejmé, že spotřeba zařazením výběhu klesá, a to pokud se nepočítá s rekuperací, významně (vodorovně šrafované plocha). V posledním případě, při nízké rychlosti, je již rekuperovaná energie zanedbatelná. Tento příklad může sloužit jako ilustrace k výkladu v kap. 4.2 Nalezení optimálního způsobu jízdy při dodržení všech daných omezení v obecném případě analyticky nepřipadá prakticky v úvahu (jedná se o nelineární variační problém). Ani numerické řešení není jednoduché. Naštěstí platí poměrně dobře jednoduchá zásada, která většinou vede k dobrým výsledkům. Ta požaduje •

rozjezd s maximálním dovoleným zrychlením (po obrysu, přirozeně s ohledem na adhezní

možnosti),

- 56 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 4. Řízení jízdy •

přechod na výběh tak, aby bylo cíle dosaženo v předepsaném čase s maximálním

brzdným zpomalením z rychlosti na konci výběhu (s respektováním minimální rychlosti při začátku brzdění). Ani pak není úkol optimálního řízení jízdy jednoduchý. Zkušenosti ukazují, že i při zjednodušeném výpočtu okamžiku začátku výběhu, což je hlavní optimalizační parametr, vede tento postup ke značným úsporám energie. Ty spočívají především v rozjezdu na nižší rychlost, delším výběhu a razantnějším brzdění.

- 57 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 5. Automatické řízení

5 AUTOMATIZACE ŘÍZENÍ Pokud máme na mysli úplnou automatizaci řízení je třeba zdůraznit, že až na naprosté výjimky nebyla dosud v provozu realizována, pokud si ji představíme asi jako obsluhu osobního výtahu. Příčiny jsou zřejmé, když porovnáme provozní podmínky výtahu s podmínkami jakékoliv veřejné kolejové dopravy. Ovšem i částečná automatizace řídicích funkcí s cílem snížit pracovní a psychické zatížení obsluhy má své meze. Ukazuje se, že pro zajištění přiměřené schopnosti obsluhy správně reagovat na vnější podměty je nezbytná přiměřená frekvence podnětů a činností při obsluze. Graficky je to znázorněno na Obr. 49. Příčiny jsou zřejmé.

Obr. 49 Závislost výkonnsti obsluhy na četnosti podnětů podle [4] (vlak.dwg) Proto k požadavkům na technické a bezpečnostní vlastnosti automatizačních zařízení přistupují i závažné požadavky plynoucí z vlastností obsluhy (pokud není zcela vyloučena).

5.1

SYSTÉM ŘÍZENÍ U ČD Pro řízení trakčních vozidel u ČD byl od 70 let vyvíjen ve Výzkumném ústavu železničním systém,

který měl umožnit zavedení jednotného způsobu řízení (nejprve hlavně jízdy) a možnost spolupráce různých typů vozidel. Byl koncipován jako „vícevrstvý“ a předpokládal v zásadě následující funkční bloky •

regulátor tahu (RT), specifický pro každý typ vozidla,

•

regulátor rychlosti a mechanické (vlakové) brzdy (RR), jednotný pro všechny trakční vozidla,

•

cílové brzdění a optimalizace jízdy (CB+Opt.), (spotřeba energie).

Tento systém byl trvale vyvíjen, donedávna přirozeně na bázi analogové techniky a v plném rozsahu, ovšem v procesorovém provedení a s tím odpovídajícím zdokonalením byl do provozu zaveden teprve nedávno pod označením Automatické vedení vlaku (AVV). Zjednodušené blokové schéma je na Obr. 50.

- 58 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 5. Automatické řízení

Obr. 50 Blokové schéma systému řízení ČD (reg_cd.dwg)

5.1.1

REGULÁTOR TAHU

Základním blokem je regulátor tahu. Ten „stíní“ vzhledem k nadřazenému ovládání skutečné charakteristiky pohonu a umožňuje jeho řízení jednotným signálem. Je specifický pro každé technické řešení trakčního zařízení a má za úkol regulovat tažnou sílu podle zadaného poměrného požadovaného tahu (PT). Tato veličina byla zavedena právě v souvislosti s popisovaným způsobem řízení a je definována takto r. 21

PT =

Fok (V ) .100% Fok max (V )

Fok (V ) = Fok max (V ) .

resp.

PT 100

[kN, kN, %]

Prakticky to znamená, že PT=100% odpovídá obrysu trakčních charakteristik. Poměry jsou znázorněny v Obr. 51 pro stejné poměry jako v Obr. 41 a Obr. 42 v předchozí kapitole. Uvedená definice zajišťuje, že každé zadání je realizovatelné a jednoznačné. Při použití pro vícenásobné řízení více vozidel různých vlastností pak zajišťuje proporcionální využití jejich trakčních možností. Závislosti tažné síly na rychlosti pro danou hodnotu PT lze považovat také za trakční charakteristiky vozidla s plynulou regulací (pokud je PT konstantní sleduje pracovní bod tyto čáry). Veličinu poměrného požadovaného tahu lze použít i pro řízení elektrodynamické brzdy. PT pak nabývá záporných hodnot. Při brzdění je definován poněkud odlišným způsobem, který plyne z tvaru brzdových charakteristik tak, že PT= -100% odpovídá maximální brzdné síle a dílčí hodnota PT pak její poměrné hodnotě. V případech, kdy tento požadavek přesahuje možnosti dynamické brzdy je brzdný účinek doplněn doplňkovou mechanickou brzdou (viz 8. díl). Poměry pak odpovídají Obr. 52. Řízení doplňkové brzdy je tedy součástí činnosti regulátoru tahu (na rozdíl od řízení vlakové brzdy). Požadovaný tah může být zadáván přímo ručně nebo je generován a omezován v nadřazeném regulátoru rychlosti. Požadovaným tahem lze paralelně řídit více vozidel a/nebo více dílčích pohonů na jednom vozidle (vícenásobné řízení).

- 59 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 5. Automatické řízení 250 PT=100% 200

Fok [kN]

PT=80% 150 PT=60% 100 PT=32% 50

0 0

20

40

60

80

100

120

140

V [km/h]

Obr. 51 Řízení prostřednictvím požadovaného poměrného tahu (PT) (pt.xls)

140 PT=-100% 120 100 Fb [kN]

obrys EDB

doplňková brzda

80 PT=-50% 60 40 20 0 0

20

40

60

80

100

120

140

V [km/h]

Obr. 52 Požadovaný tah při brzdění (s doplňkovou brzdou) (pt.xls) Regulaci tahu musí být v každém jednotlivém regulátoru tahu nadřazena protiskluzová (protismyková) ochrana a/nebo regulace skluzu (smyku). Její účinek totiž je protichůdný normální činnosti regulátoru tahu: •

při prokluzu dochází k roztočení nápravy (náprav) a snížení proudu (momentu), takže

regulátor proudu jeho udržením přispívá k dalšímu rozvoji skluzu, zatímco

- 60 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 5. Automatické řízení •

protiskluzové zařízení musí naopak proud (moment) dále snížit pro odstranění skluzu (viz

7. díl). Většina moderních protiskluzových zařízení ovšem požaduje na každém regulátoru tahu i informace (o otáčkách) všech ostatních náprav na vozidle. V Obr. 50 není protiskluzové zařízení zakresleno, také proto, že nebylo součástí původního vývoje. 5.1.2

REGULÁTOR RYCHLOSTI

Regulátor rychlosti reguluje rychlost jízdy na základě informací o požadované a skutečné rychlosti zadáváním vhodné velikosti požadovaného tahu s přihlédnutím k zmíněným omezením (velikosti a rychlosti změn). Aby to bylo možné je zřejmě nezbytné, aby regulátor rychlosti ovládal i brzdění pro udržení rychlosti na spádu a přechod na nižší rychlost či do zastavení. Elektrodynamickou brzdu ovládá regulátor rychlosti prostřednictvím regulátoru tahu jak bylo vyloženo. U železničních vozidel (případně metra) ovládá regulátor rychlosti kromě toho přímo vlakovou pneumatickou brzdu. Prostřednictvím elektrického brzdiče (BSE v Obr. 50) řídí tlak v hlavním potrubí (HP) a přes rozvaděče (R) tlak v brzdových válcích na všech vozech s pneumatickou brzdou. Na soupravě může být zřejmě více regulátorů tahu ale pouze jediný (činný) regulátor rychlosti. Na rozdíl od standardních regulátorů rychlosti (otáček) jsou podmínky pro jeho práci podstatně složitější, protože nesmí pracovat s „regulačním překmitem rychlosti“ ani při přechodu na vyšší rychlost (nesmí být překročena z bezpečnostních důvodů) ani podkročena při přechodu na rychlost nižší (z důvodů energetických – nutnost dalšího rozjezdu). Zároveň je nutno respektovat dovolené rychlosti změn tažné/brzdné síly. Aby byla hodnota nárůstu tažných sil alespoň přibližně dodržena i na konci dlouhých vlaků doporučuje se zvláště při rozjezdu z klidu podobně jako při ručním řízení vložit v průběhu nárůstu tažných sil prodlevu podle Obr. 53.

Obr. 53 Doporučený průběh nárůstu tažných sil u dlouhých vlaků (reg_cd.dwg) Specifickou

funkcí

regulátoru

rychlosti

je

zajištění

vozidla

v klidu.

Po

zabrzdění

elektrodynamickou, doplňkovou nebo vlakovou brzdou aktivuje regulátor rychlost parkovací brzdu, jejíž ovládání mu tedy také přísluší. Z hlediska obsluhy je vozidlo s regulací rychlosti ovládáno •

tlačítkovou soupravou pro zadávání požadované rychlosti,

•

přepínačem omezení požadovaného tahu a

•

přepínačem (pákou) s polohami „Souhlas“, „Jízda“, „Výběh“, „Parkování“ (původní provedení).

- 61 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 5. Automatické řízení Základní význam těchto poloh je následující •

poloha „Souhlas“ (odpružená do polohy „Jízda“) povoluje rozjezd z klidu,

•

poloha „Jízda“ umožňuje RR rozjezd a udržování požadované rychlosti řízením PT v obou

polaritách (tah i brzda), •

poloha „Výběh“ dovoluje zadávat pouze záporné hodnoty PT tj. brzdění pokud je to nutné pro

nepřekročení požadované rychlosti, •

poloha „Parkování“ umožňuje ruční ovládání parkovací brzdy se současným odbrzděním

brzdy vlakové. Tyto funkce (s výjimkou „Parkování“) doplňují funkce hlavní jízdní páky podle Tab. 1 při jízdě s regulací rychlosti. Jízda s regulací rychlosti •

odpovídá návěstnímu systému (návěst určuje rychlost v následujícím oddílu),

•

odpovídá potřebám dohlížecích obvodů při kontrole rychlosti před návěstidly požadujícími

snížení rychlosti (zastavení – srov. kap. 2), •

umožňuje dosáhnout minimálních jízdních dob (prakticky jen s cílovým brzděním), ovšem za

cenu zvýšené spotřeby energie; výhodná je především pro jízdu v úsecích s omezenou rychlostí („pomalé jízdy“). Kritickými režimy pro činnost regulátoru rychlosti jsou případy •

rozjezd sólo lokomotivy s velkou odchylkou rychlosti (zrychlení by mělo být omezeno a nesmí

dojít k překmitu rychlosti ani brzdění při navádění v důsledku značného přebytku tažné nebo brzdné síly), •

jízda po sklonu, který právě odpovídá jízdním odporům (tah se reguluje kolem nuly, zpravidla

přechází z tahu do brzdy – tyto jevy by neměly být příliš citelné, významné především u vozidel se stejnosměrnými motory, kde pro přechod do brzdění je nutno změnit spínacími přístroji konfiguraci trakčního obvodu), •

přechod z vysoké rychlosti na nízkou (např. 10 km/h) u těžkého nákladního vlaku (pro brzdě

musí být aktivována vlaková brzda a odbrzdění musí zajistit plynulý přechod na odpovídající tažnou sílu bez snížení rychlosti pod rychlost požadovanou), •

jízda po mezi adheze (omezení tahu zajišťuje skluzový regulátor).

Obecně je automatická jízda možná pouze s bezpečně fungujícím skluzovým regulátorem, jinak se buď nevyužívají trakční možnosti vozidla (omezení PT je nastaveno nízko aby ke skluzu nedošlo) nebo jsou při zhoršených adhezních podmínkách nutné opakované zásahy obsluhy (nebo přímo jízda s ručním ovládáním tahu). Významná přednost regulace rychlosti tkví v tom, že pro svoji činnost vystačí s informacemi, které jsou na vozidle k dispozici (především rychlost), takže k jeho využívání stačí vybavit jím trakční vozidla. Jeho zavedení je tedy relativně jednoduché, rychlé a levné. Nemá ale sám o sobě přímou vazbu trať ani zabezpečovací zařízení.

- 62 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 5. Automatické řízení 5.1.3

CÍLOVÉ BRZDĚNÍ A OPTIMALIZACE JÍZDY;

Ačkoliv regulátor rychlosti ovládá brzdové systémy na soupravě je jeho využití při brzdění omezené. Neřeší (nemůže řešit) zásadní úkol, totiž dosáhnou snížení rychlosti v předem určeném místě na trati (u návěstidla, ve stanici). Nemá k tomu sám o sobě potřebné informace. Tyto informace jsou uloženy v tzv. „Mapě trati“ v paměti regulátoru cílového brzdění. Tato mapa obsahuje potřebné informace o vzdálenosti cíle, poměrech na trati k cíli a požadované rychlosti v cíli pro všechny informační body. Informace se v ní vyhledávají podle adresy , která určuje polohu vozidla podle údajů sejmutých snímacím zařízením, popsaným v kap. 2.10 (magnetické informační body). Ani pak ovšem úloha přesného navedení na rychlost v cíli není jednoduchá. Určitou představu poskytuje analytický rozbor v kap. 4.5. Stručný popis skutečného provedení, které ale vychází z poloempirických vztahů, získaných mnohými měřeními a pokusy především při odbrzďování vlaku v poslední fázi navádění, které byly publikovány v [38]. Automatické vedení vlaku (AVV) představuje současný stav popsaných automatizačních kroků [39], [40].

Obr. 54 Blokové schéma AVV (reg_cd)) Blokové schéma zařízení je na Obr. 54. Jednotlivé bloky znamenají •

Radio – blok pro budoucí přenos informací systémem GPS-R (kap. 2.8) pro ETCS úroveň II,

•

AVV – blok zařízení pro (přímé) vedení vlaku,

•

LVZ – liniový vlakový zabezpečovač, snímá signály z trati (kap. 2.1), ovládá přímo rychlobrzdu

a přenáší návěstní údaje do regulátoru cílového brzdění, •

RCB – regulátor cílového brzdění,

•

RJD – regulátor jízdních dob, řídí jízdu tak, aby byla dosažena předepsaná jízdní doba s

minimální spotřebou energie (především řízením okamžiku přechodu z tahu do výběhu), - 63 -


RR – regulátor rychlosti (kap. 4.4),

•

PT poměrný požadovaný tah jako základní řídicí veličina pro vlastní pohon,

•

CRC – centrální řídicí člen (regulátor tahu podle kap. 5.1.1), který bezprostředně řídí pohon

v tahu a elektrodynamické brzdě, zprostředkuje přenos PT i do případných dalších trakčních jednotek v soupravě a spolu s RR tvoří •

CRV – centrální regulátor vlaku,

•

Řízení brzdy ovládá průběžnou brzdu změnami tlaku v hlavním potrubí (HP) prostřednictvím

elektricky řízeného brzdiče (viz díl 8. Elektrické ovládání mechanických brzd). Celý systém (s výjimkou radiového přenosu) byl poprvé realizován na sérii předměstských elektrických motorových vlacích řady 471. Jednotlivé komponenty a jejich funkce byly popsány podrobněji již dříve.

5.2

AUTOMATICKÉ ŘÍZENÍ VOZIDEL METRA Poměry při automatickém řízení metra se zásadně liší od poměrů na železnici. Základním

požadavkem je zajištění co nejkratšího následného intervalu mezi vlaky a tím dosažení i největší přepravní výkonnosti a zároveň i cestovní rychlosti. V kapitole 2.6 byl stručně popsán způsob přenosu informací na vozidlo a nyní opět jen stručně ukážeme způsob, kterým pracuje systém automatického řízení (ATO) [5]. Trať je vybavena v zásadě pouze vjezdovými a odjezdovými návěstidly. Z hlediska řízení pohybu souprav se dále dělí na několik fiktivních oddílů různé délky. V každém z nich může být na soupravu přenesen buď tzv. „program rouge“ -PR odpovídající poloze stůj nebo „program verde“ – PV odpovídající poloze volno plnou dovolenou rychlostí na skutečném návěstidle nebo na konci fiktivního traťového úseku. Vysílání těchto „programů“ řídí stacionární zabezpečovací zařízení tak, aby byla vždy zajištěna bezpečná vzdálenost mezi soupravami (ochranný úsek, prokluzový úsek) a současně požadovaný následný interval, v případě pražského metra 90 s. Přenos je nepřetržitý, takže po vytvoření dostatečného odstupu může být kdykoliv PR změněn na PV. V případě, že se žádný program nepřenáší zavádí se nouzové brzdění. Způsob řízení je schématicky uveden na Obr. 55 [5]. V obrázcích je znázorněn pohyb dvou následujících souprav mezi stanicemi A, B, C a příslušné dovolené rychlosti. Úseky s konstantní rychlostí odpovídají PV („volno“), úseky, ve kterých je rychlost snižována pro zastavení odpovídají PR („stůj“). Jednotlivé případy na Obr. 55 odpovídají následujícím situacím •

a) volná trať, kdy je možno jet plnou rychlostí až do následující stanice.

•

b), c) odpovídá jízdě soupravy „a“ do následující stanice, při tom se za ní „vytváří“ ochranná

vzdálenost, •

d) souprava „b“ odjíždí ze stanice A s minimálním intervalem s pohotovostí zastavit na konci

úseku 2 (jede „na žlutou“) za soupravou „a“, •

e) souprava „a“ odjezdem ze stanice B umožňuje pokračovat soupravě „b“ plnou rychlostí

s pohotovostí zastavit před stanicí B, •

f) souprava „a“ uvolnila (krátký) úsek 4 a tak umožnila soupravě „b“ vjet a zastavit ve stanici B,

- 64 -


g) souprava „a“ pokračuje v jízdě, souprava „b“ dojíždí do stanice B a pro (nezakreslenou)

další soupravu je umožněn odjezd ze stanice A (na („žlutou“), •

h) souprava „a“ je naváděna k zastavení ve stanici C. souprava „b“ ve stanici B a pro další

soupravy je povolen odjezd ze stanice A plnou rychlostí.

Obr. 55 Schéma řízení jízdy souprav metra (metro.dwg) Kritické poměry z hlediska splnění požadavků bezpečnosti a následného intervalu nastávají v případě e) a f), kdy souprava „a“ stojí ve stanici nebo se z ní rozjíždí a souprava „b“ se k ní přibližuje plnou rychlostí. Proto musí být velikost a počet fiktivních úseků navržen individuálně pro konkrétní sklonové poměry a vlastnosti vozidel a pro nejnepříznivější provozní poměry (obsazení souprav). Výsledky se kontrolují počítačovou simulací různých provozních případů. Systém ATO umožňuje prakticky úplnou automatizaci provozu, strojvedoucí (za normálních okolností) řídí pouze odjezd od nástupiště a vlakový rozhlas. Přesto v současnosti strojvedoucí ovládá také otevření dveří a osvětlení (srov. Obr. 49). Podrobnější popis lze najít v [5].

- 65 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 6. LIteratura

6 LITERATURA [1] Lieskovský, A.: Styk mikropočítačového řídicího systému moderních hnacích vozidel s technickým okolím a s obsluhou, disertační práce, Elektrotechnická fakulta, Vysoká škola dopravy a spojů Žilina 1995 [2] Glivický, V. a kol.: Úvod do ergonomie, Práce, Praha 1975 [3] Šmíd, M.: Ergonomické parametry, SNTL Praha 1977 [4] Kollimannsberger, F.: Leittechnik für einen rationellen Fahrberieb, ZEV+DET Glas.Ann. 125 (2001) č.1 str. 7-16 [5] Chudáček, V., Jakl, J., Lochman, L.: Vlakové zabezpečovací systémy, ČD-VÚŽ Praha 1999 [6] Poupě, O.: Liniový vlakový zabezpečovač, NADAS Praha 1965 [7] Smiderkal, R.: Zugsicherungssysteme in Österreich, PZB (Indusi), [email protected] [8] Wegener, M.: Induktive Zugbeeinflussung (Indusi), www.indusi.d [9] -: Linienzugbeeinflussung für Fernbahnan – Die Fahrzeuganlage LZB 80 – eine zukunftsorientierte Technik, firemní prospekt Siemens 1998 [10] -: Zugbeeinfussungssystem ZUB 100, firemní prospekt Siemens [11] Lange, A.-H., Müller, F.: ZUB 122 - Ein neues Zugbeeinflussungs- und Informationssystem bei der Stuttgaretr Strassenbahnen AG (SSB), Elektrische Bahnen 85 (1987) č. 9, str. 309-314 [12]

-:

Linienzugbeeifussung

für

Fernbahnen.

Die

Fahrzeuganlage

LZB

80

–

eine

zukunftsorientierte Technik, firemní prospekt Siemens [13] Priebe, O., Schaper, B., Voss, H.-J.: Automatic Train Operation LZB 700 - Eine leistungsfähige Steuerungg f¨r den Nahverkehr mit Fuzzy Control, ETR 43 (1994), č. 1-2., str. 63-70 [14]

Hohmann,

H.,

Scharnweber,

K.:

Das

kombinierte

punkt-

und

linienförmige

Zugbeeinfussunggsystem ZUB 123/LZB im Einsatz bei den Dänischen Staatsbahnen, ETR 42, (1993) č. 7-8, str. 495-500 [15] Kollmannsberger, F.: Integration der europëischen Zugbeeinflussungssysteme, Elektrische Bahnen 89 (1991) č. 9, str. 267-271 [16] Winter, P.: Auf dem Weg zu einem einheitlichen europäischen Zugsicherungs- und Zugsteuerungssystem (European Train Control System), 116 (1992) č. 5, str. 154-157 [17] Kollmannsberger, F.: Studie Zukunftsorientiertes Bahn-Leitsystem (ZBL) – Systemkoncept, ETR 46 (1997) č. 7-8, str. 463-465 [18] Studnicka, Ch.: Qualitätsmanagement bei der Führerstandssignalisierung am Beispiel des europäischen Zugsicherungssystems ETCS, ZEV+DET Glas. Ann. 125 (2001) č. 9-10. str. 400-404 [19] Kiessling, B., Thoma, Ch.T.: Europalokomotive BR189 Die Mehrsystemlokomotive für den europaweite Einsatz, ZEVrail Glas. Ann. 126 (2002) č. 9 str. 390-402 [20] Mense, O.: Erprobung des European Train Control Systems auf der Strecke Jüterbog Halle/Leipzig, ETR 50 (2001) č. 12, str. 749-751 [21] - : DB AG startet Versuche mit ETCS - Level 2, Eisenbahn-Revue 2002 č. 4 str. 186-189 [22] Lochman, L.: Vlak CDT 680 a ERTMS, Vědeckotechnický sborník ČD, 2002 č. 13 str. 85-93 [23] AŽD - Kolejová doprava: Magnetické informační body, HTTP://www.azd.cz/printonly.php

- 66 -

Elektrická trakce 9 – Řízení vozidel 6. LIteratura [24] Amos, M.: Führerrstandsgestaltung mderner Schienenfahrzeuge, ETR 39 (1990) č. 10 str. 605-608) [25] -: Light Rali Vehicle of the City of San Diego, firemní prospekt Siemens [26] Firemní katalog Lekov Blovice [27] -: 6-achsiger Einrichtungs-Gelenktriebwagen der GVB-Graz mit MC-Steuerung SIBAS 16 und GTO-Gleichstromsteller, firmní prospekt Siemens [28] Bayer, M., Kleim, K.-H.,

Nerb, K.-H.: Eine neue Strassenbahngenretion für München -

Prototypfahrzeuge der Baureihe R 1.1, Elektrische Bahnen 89 (1991) č. 6, str. 186-192 [29] Kirschner, R.: Münchens neue U-Bahn Wagenserie, Der Nahverkehr 1989 č. 5 str. 2-12 [30] Gerber, P.: Die Lokomotiven Re 465 der BLS Lötschbergbahn, Schweizer Eisenbahn-Revue 1994 č. 12 str. 567-593 [31] Treacy, R.: „Le Shuttle“ Lokomotive for the Channel Tunnel, Schweizer Eisenbahn-Revue 1994 č. 4 str. 141-157 [32] -: Lokomotivy řady 711, Dráha 1996 č. 7 [33] -: Schneller reisen auf Schiene BR 611 von Adtrans, firemní prospekt Adtrans 1996/10 [34] www.fuehrstand-online.de/technikmfa.htm [35] Firemní prospekt BUSE Speciální elektrotechnika Blansko [36] Huber, K.: Elektrinischer Buchfahrplan und LA bei der Deutschen Bahn, Elektrische Bahnen 98 (2000) č. 4, str. 115-117 [37] Firemní prospekt Inteligente Displays, Informativ, http://wwwš.bh-informativ.de [38] Šůla, B.: Cílové brzdění a automatické vedení vlaku u ČD, Nová železniční technika 1996 č. 2 str. 37-42 [39] -: Systém automatického vedení vlaků ČD (AVV ČD), http://www.azd.cz , 28.4.2003 [40] -:Automsatické vedení vlaku , http://www.azd.cz, 28.4.2003

- 67 -

Elektrická trakce 9 Řízení vozidel Obsah

Recommend Documents