Záznamové zařízení BlackBox

Diagnostická zařízení

Současná diagnostická zařízení určená pro železniční zabezpečovací zařízení umožňují okamžité zjištění závad na diagnostikovaném zařízení včetně průběžné kontroly měřených obvodů a soustav tak, že lze tyto závady do jisté míry predikovat. Na zabezpečovacím zařízení se díky diagnostice jednoznačně zvyšuje jeho pohotovost a spolehlivost. Tyto faktory mají vliv na plynulost železničního provozu. Nezanedbatelným přínosem diagnostiky železničních zabezpečovacích zařízení je taktéž ulehčení zjištění závady na daném zařízení a vyšší efektivita údržby.

Diagnostická zařízení jsou umístěny přímo v technologii (reléovém sálu, přejezdu, skříni autobloku) a umožňují diagnostikovat tato zařízení vzdálená i několik desítek kilometrů od diagnostického vyhodnocovacího pracoviště. Jsou schopny pořizovat informace o stavech vnějších zařízení (návěstidel, výhybek, výkolejek, ...) a měřit různé elektrické i neelektrické veličiny. Způsob snímání informací z diagnostikovaných zařízení je řešen tak, aby nemohlo dojít k negativnímu ovlivnění činností zabezpečovacích zařízení (ZZ) a zhoršení jejich bezpečnostních kritérií.
Snímané informace ze zabezpečovacích zařízení se přenášejí po metalických, optických vedeních nebo radiopřenosem do diagnostického vyhodnocovacího pracoviště. Zde jsou shromažďovány a je možno s nimi dále pracovat. Speciální aplikace, které zpracovávají získané informace z diagnostických zařízení obsahují široké spektrum kvalitních diagnostických nástrojů. Lze jimi provádět dálkovou diagnostiku a výsledky sledování diagnostikovaných zařízení zpracovat do podoby měřících protokolů, retrospektivních výpisů nebo přehledných a názorných grafů. Taktéž umožňují provádět zpětnou animaci chování diagnostikovaných zařízení (např. funkce návěstidel, chod přestavníků, funkce kolejových obvodů, přítomnost napětí, stav záložních zdrojů, ...). Další nepřehlédnutelnou výhodou je nepřetržité sledování určených veličin např. napětí, proudu, kmitočtu, střídy. Při překročení definovaných mezí diagnostické zařízení automaticky upozorní pracovníka diagnostického vyhodnocovacího pracoviště na blížící se závadu.
Díky těmto moderním diagnostickým nástrojům lze včas odhalit i poruchy, které jsou teprve ve fázi tvorby předpokladů, tedy mnohem dříve, než by k nim došlo, a včasným zásahem jim takto předcházet. Aplikování a následné využívání diagnostických zařízení vede zcela jednoznačně ke snižování nákladů na údržbu a provoz zabezpečovacích zařízení.
Každé diagnostické zařízení musí vyhovovat všem podmínkám kladeným na diagnostiku předpisem ČD ZTP 6/2000-SZ "Základní technické požadavky pro diagnostiku železničních zabezpečovacích zařízení".
V dnešní době se uskutečňuje projekt s názvem Racionalizace údržby s využitím moderních diagnostických metod, jehož cílem je zvýšení efektivity údržby pomocí diagnostického systému, změna kolidujících pasáží drážních předpisů řady T a Z a v konečném důsledku zvýšení provozní spolehlivosti zabezpečovacích zařízení. Pro místo realizace projektu byla vybrána železniční stanice České Budějovice, trať České Budějovice - Horní Dvořiště a přilehlé úseky ostatních tratí zaústěných do žst. České Budějovice.
Cena diagnostických zařízení umístěných v současné době na trhu se pohybuje v relativně velkém intervalu počínaje řádově od desetitisíce za jedno záznamové zařízení a konče u statisíců korun českých za velkoplošné diagnostické systémy (např. Remote 96/98). V dalším textu se blíže seznámíme s jednoduchým, levným a mobilním diagnostickým zařízením BlackBox.

Záznamové zařízení BlackBox

Záznamové zařízení BlackBox (černá skříňka), jehož dodavatelem je firma AK signal Brno a.s., je plně elektronické zařízení vyvinuté za účelem sledování činnosti především reléových zabezpečovacích zařízení v železničním provozu. Provedení záznamového zařízení BlackBox však umožňuje jeho nasazení i v jiných aplikacích. Používá se všude tam, kde je zapotřebí monitorovat stavy a činnosti zařízení a zaznamenat je pro pozdější použití. Záznamové zařízení BlackBox stavy zařízení sleduje a jejich změny zaznamenává v datové podobě do své vnitřní paměti. Tato data je možné později opakovaně vyčítat počítačem PC, PDA (kapesní počítač) nebo XDA (počítač spojený s mobilem) a používat je např. pro vysledování nekorektní posloupnosti stavů automatických reléových zařízení. Zaznamenaná data nelze v žádném případě změnit bez zásahu do vnitra záznamového zařízení BlackBox. Pro tyto případy je zařízení chráněno bezpečnostním uzávěrem (plombou). Porušení bezpečnostního uzávěru signalizuje pravděpodobnou neoprávněnou manipulaci se záznamovým zařízením BlackBox. BlackBox se vyrábí ve dvou provedeních. V základním provedení se dodává záznamové zařízení BlackBox s binárními (dvoustavovými) vstupy, typové označení BBOX02. Záznamové zařízení BlackBox s binárními vstupy lze rozšířit o vstupy analogové, typové označení BBOX12.
Záznamové zařízení BlackBox
    Přednosti záznamového zařízení BlackBox jsou:
  • malé rozměry, mechanická odolnost, snadná montáž a demontáž
  • široký rozsah napájení, malý odběr energie
  • vysoká odolnost vstupů, optická oddělení
  • velká kapacita interní paměti
  • při měření není zapotřebí přítomnost počítače
  • lze jej odpojit, přenést k počítači a data vyčíst např. v kanceláři
    Pro čtení pořízených dat z paměti záznamového zařízení BlackBox jsou určeny speciální aplikace pro počítače PC, PDA a XDA. Kromě vyčtení pořízených dat ze záznamového zařízení BlackBox dále umožňují:
  • zobrazení pořízených dat v přehledném grafu (tabulce),
  • správu pohledů grafu,
  • tisk grafu,
  • tisk chronologické sestavy změnových událostí,
  • export dat,
  • archivaci pořízených dat,
  • zobrazení archivovaných dat,
  • import dat z PDA,
  • nastavení data a času záznamového zařízení BlackBox.

Mechanické provedení

Záznamové zařízení BlackBox se dodává v celokovové pevné skříňce (krytí IP20) povrchově ošetřené černým eloxem, s možností osazení bezpečnostním uzávěrem. Skříňka záznamového zařízení BlackBox je v základním provedení přizpůsobena k uložení na polici v reléovém stojanu s technologií zabezpečovacího zařízení. Také je konstrukčně uzpůsobena k montáži na připevňovací modul, pomocí něhož lze záznamové zařízení BlackBox umístit do standardního stojanu na pozici jednoho malorozměrového relé.
Na čelech skříňky jsou umístěny konektory. Napájecí konektor, komunikační konektor a indikační LED jsou na jednom čele skříňky. Druhé čelo skříňky je osazeno jedním širokým konektorem pro binární vstupy nebo dvěma širokými konektory pro binární a analogové vstupy. Široké konektory slouží pro připojení vstupních signálů z technologie.
Základní provedení BBOX02 obsahuje 16 binárních vstupů. Konektor pro připojení binárních vstupů obsahuje 18 pinů. 16 pinů je obsazeno vstupními signály, sdruženými po osmi do dvou skupin, každá proti jednomu společnému pólu (CA, CB). Vstupy 0 až 7 proti CA a vstupy 8 až 15 proti CB. Toho lze při projekci s výhodou využít pro sledování signálů různých polarit. Obě skupiny jsou proti napájecímu napětí i proti sobě navzájem galvanicky odděleny.
Rozšířené provedení záznamového zařízení BlackBox obsahuje kromě 16 binárních vstupů ještě 8 vstupů určených pro zaznamenávání efektivní analogové hodnoty napětí. Konektor pro připojení analogových vstupů obsahuje 16 pinů. Každé dva piny konektoru náleží jednomu vstupnímu kanálu. Všech osm vstupních kanálů je řešeno diferenciálně. Nejsou galvanicky odděleny, ale splňují podmínky oddělení obvodů v sítích IT s izolačním napětím 500 V. Přesnost měření analogové hodnoty napětí na vstupu je ± 5 %.
Napájecí napětí je připojeno přes samostatný konektor a díky nízké spotřebě zařízení je dodáváno z připojené sledované technologie (zařízení), kterou tímto nijak citelně nazatíží (příkon ma. 0,5 W).
Komunikace záznamového zařízení BlackBox s připojeným počítačem PC, PDA nebo XDA probíhá přes komunikační konektor s 9 piny po sériové lince RS232 rychlostí 115 200 Bd. Linka může mít délku až 5 m. Přes komunikační konektor lze vyčíst informace z paměti záznamového zařízení BlackBox a umístit je pro další použití na pevný disk počítače PC nebo do vnitřní paměti PDA nebo XDA.
Konektor typu BBOX02Konektory typu BBOX12

Elektrické provedení

U zaznamenaných dat vyčtených z paměti záznamového zařízení BlackBox je nutné, aby měly správnou vypovídací hodnotu. Proto je zapotřebí uložit ke každé změnové události v době jejího pořízení i časový údaj vzniku této události s přesností na sekundy. Správnost a přesnost časového údaje zabezpečuje obvod reálného času RTC. Tento RTC pracuje ve funkci interních hodin. Jeho základní nastavení se provádí servisním zásahem při výrobě. Výrobce RTC garantuje jeho odchylku maximálně 1,5 minuty za měsíc. Přesnost interního času lze zlepšit připojením vnějšího zdroje času, např. pomocí přijímače časového normálu DCF77 (dodavatel AK signal Brno a.s.) přes komunikační konektor. Interní čas záznamového zařízení BlackBox lze také nastavit pomocí speciální aplikace z počítače PC, PDA nebo XDA.
V záznamovém zařízení BlackBox je pro záznamy změnových událostí na vstupech použita paměť typu CMOS o velikosti 512 kB. Záznamy událostí nejsou stejně dlouhé, nicméně velikost paměti vystačí pro asi 100 000 záznamů změnových událostí. Po zaplnění poměti se nejstarší zaznamenané změnové události nahrazují novými. Aby nedošlo ke ztrátě dat v paměti po výpadku napájení záznamového zařízení BlackBox, je paměť opatřena zálohovací baterií s životností 10 let. Tato baterie zálohuje pouze paměť záznamového zařízení BlackBox a obvod RTC. Stav baterie je indikován pomocí LED na čele skříňky. Baterie se po dobu své životnosti nedobíjí.
    Řadič (mikroprocesor řady AVR) záznamového zařízení BlackBox zajišťuje sledování změn na vstupech a jejich vyhodnocení. Pro binární vstupy rozeznává BlackBox následující stavy:
  • Aktivní vstup. Napětí mezi daným vstupem a příslušným společným pólem je v intervalu 15 až 40 VDC, resp. 15 až 40 VAC při frekvenci 0,5 až 300 Hz. Začátek aktivního stavu se zaznamenává včetně data a času jako událost do paměti BlackBoxu.
  • Neaktivní vstup. Napětí mezi daným vstupem a příslušným společným pólem je v intervalu 0 - 1 VDC, resp. 0 až 0,7 VAC při frekvenci 0,5 až 300 Hz. Začátek neaktivního stavu je zapsán do paměti BlackBoxu včetně data a času jako událost.
  • Kmitání na vstupu. Je-li na vstupu kmitavý signál s frekvencí větší než 0,5 Hz, řadič zaznamená do paměti záznamového zařízení událost "kmitání" včetně data a času. Měření frekvence trvá 5 změn signálu. Kmitání s delší periodou (kmitočet pod 0,5 Hz) jsou vyhodnocována záznamovým zařízením jako jednotlivé události "aktivní vstup" nebo "neaktivní vstup" podle výše definovaných pravidel. Jednotlivé pulsy na vstupech kratší než 50 ms, mezi nimiž je mezera delší než 2 s, jsou vyhodnoceny jako rušení a jsou ignorovány. Pokud jsou mezery kratší, je zaznamenána událost "kmitání".
  • Dokmitání na vstupu. Jestliže BlackBox zaznamenal pro daný vstup událost "kmitání" a následně zjistil, že kmitání skončilo (kmitočet pod 0,5 Hz), vygeneruje událost "dokmitání na vstupu" a zapíše ji do paměti včetně data, času a hodnoty frekvence, s jakou daný vstup kmital.
Každý den o půlnoci se zapíše do paměti záznamového zařízení, včetně data a času, stav všech binárních vstupů. To umožňuje zobrazit stav vstupu ve speciální aplikaci pro správu dat záznamového zařízení i v případě, že během uplynulých 24 hodin nedošlo k žádné změně sledovaného vstupu.
Pro analogové vstupy rozeznává BlackBox "analogovou událost". Tu ukládá do paměti s následující logikou: po uvedení záznamového zařízení do aktivního stavu (napájecí napětí minimálně 15 V) se na každém analogovém vstupu změří efektivní hodnota napětí a zapíše se do paměti záznamového zařízení. Od této chvíle měří BlackBox v časovém intervalu jedné sekundy efektivní hodnotu napětí na daném vstupu. V případě, že se během této doby efektivní hodnota napětí změní o více než o předem definovanou velikost, která je nastavitelná v parametrech BlackBoxu a její výchozí hodnota činí 0,7 V, mikroprocesor vygeneruje "analogovou událost", kterou zapíše do paměti záznamového zařízení včetně poslední změřené efektivní hodnoty napětí na daném vstupu, data a času. Každých 24 hodin od uvedení záznamového zařízení BlackBox do aktivního stavu se zapíše do paměti efektivní hodnota napětí na všech analogových vstupech včetně data a času ("analogová událost"). Důvodem je opět možnost zobrazit stav vstupu i v případě, že během uplynulých 24 hodin nedošlo k žádné změně.
    Záznamové zařízení BlackBox sleduje vlastní stav a následně vždy zapisuje do paměti, včetně data a času, tyto události:
  • Nový start. Záznamové zařízení přejde ze stavu neaktivního do stavu aktivního, který je definován tak, že přítomné napětí na napájecím konektoru má hodnotu 15 V a větší.
  • Ztráta napětí. Pokles napětí na napájecím konektoru pod 15 V během aktivního stavu. Řadič korektně ukončí svoji dosavadní činnost a na závěr vygeneruje a zapíše do paměti tuto událost, a to i v případě náhlé ztráty napětí na napájecím konektoru.
  • Čtení dat. Vyčtení dat obsluhou z paměti záznamového zařízení pomocí speciální aplikace pro PC, PDA nebo XDA.
  • Posun času. Změna vnitřního datumu a času záznamového zařízení, a to buď obsluhou speciální aplikace pro PC, PDA nebo XDA anebo automaticky přijímačem časového normálu DCF77.

Připojení vstupů

Základním předpokladem využití záznamového zařízení BlackBox v technologii zabezpečovacího zařízení je, že jeho činností (korektním i poruchovým stavem) nesmí být činnost diagnostikovaného zabezpečovacího zařízení negativním způsobem ovlivněna.
Pro připojení binárních vstupů se využívá volných kontaktů relé. Na vstupy záznamového zařízení BlackBox je přivedeno napětí přes volný kontakt příslušného relé v technologii (pracovní rozsah 15 až 40 V). Je-li třeba indikovat v technologii přítomnost střídavého napětí, případně měřit jeho kmitočet, je třeba střídavé napětí jednocestně usměrnit diodou. V situacích, kdy je třeba snímat napětí z uzlů ve schematice zabezpečovacího zařízení (např. přítomnost napětí na vinutí relé) nebo kdy snímané napětí je mimo toleranci zpracovatelnou binárními vstupy záznamového zařízení BlackBox, přivede se snímaný signál do záznamového zařízení BlackBox přes speciální oddělovací obvod umístěný na přechodové desce LPO 2-1. Přechodová deska LPO 2-1 obsahuje čtyři oddělovací obvody zajišťující galvanické oddělení s izolační pevností 4 kV.
Měření malých napětí, tedy měření napětí menších než je maximální měřicí rozsah měřicího převodníku záznamového zařízení BlackBox (do 57 VDC, 40 VAC - efektivní hodnota) lze uskutečnit připojením dané soustavy přímo na vstup záznamového zařízení BlackBox. Protože vstupní odpor analogových vstupů splňuje podmínku oddělení obvodů v sítích IT a izolační napětí tohoto oddělení je minimálně 500 V, lze měřené malé napětí připojit přímo na vstupní konektor. Pro měření napětí přesahující základní měřicí rozsah záznamového zařízení BlackBox je nezbytné toto napětí snížit vhodným děličem. K tomuto účelu lze využít oddělovacích modulů TM04 (do 430 VDC a do 300 VAC) a TM05 (do 215 VDC a do 150 VAC).
Přes komunikační konektor, umístěný na čele skříňky záznamového zařízení BlackBox, lze připojit trvale nebo dočasně přijímač časové normálu DCF77, který automaticky koriguje vnitřní čas záznamového zařízení BlackBox. Dalším zařízením, které lze připojit přes komunikační konektor je komunikační modul (BB GSM), který poskytuje služby pro bezdrátové vyčítaní paměti záznamového zařízení BlackBox přes síť GSM a to buď pomocí vytáčeného spojení HSCSD (vysoce rychlostní přepínaný datový okruh) nebo pomocí služby GPRS (přenos dat pomocí IP paketů).
Možnosti zapojení vstupů záznamového zařízení BlackBox

Využití záznamového zařízení BlackBox

Záznamové zařízení BlackBox je vytvořeno pro různorodé využití počínaje krátkodobým umístěním k zabezpečovacímu zařízení z důvodu vyhledání nesnadno a nepravidelně se objevující závady až po trvalé umístění k zaznamenávání vybraných stavů zabezpečovacího zařízení. Obecně lze říci, že záznamové zařízení BlackBox lze použít všude tam, kde je možné a účelné monitorovat stav napětí, tj. od složitého zabezpečovacího zařízení počínaje a u hlídání svícení žárovek a provozu zařízení v domácnosti konče.
Uvažujme následující modelový příklad. Záznamové zařízení BlackBox se umístí na vybraná zabezpečovací zařízení v uceleném traťovém úseku. U ZZ umístěných ve velké vzdálenosti od vyhodnocovacího pracoviště údržby a všude tam, kde by bylo neefektivní jezdit vyčítat data ze záznamového zařízení BlackBox se připojí k tomuto zařízení komunikační modul (BB GSM). Tento komunikační modul nám poskytne celou řadu užitečných služeb, včetně služby bezdrátového přenosu obsahu pamětí ze záznamového zařízení BlackBox na požádání prakticky kamkoliv, kde je signál sítě GSM daného operátora. Na počítači PC ve vyhodnocovacím pracovišti údržby je potom možné analyzovat a archivovat data vyčtená buď přímo (notebookem, PDA) nebo bezdrátově přes komunikační modul z jednotlivých záznamových zařízení BlackBox. Je možné zvolit i "mobilní" přístup, kdy záznamové zařízení BlackBox se vyčte bezdrátově pomocí XDA (počítač spojený s mobilem) a získaná data se analyzují přímo na obrazovce XDA zařízení.
Ukázka nasazení BlackBoxu
Speciální aplikace vyvinuté pro vyčítání paměti záznamového zařízení BlackBox nabízí kromě jiného i spoustu přehledných a účelných nástrojů pro analyzování a archivaci zaznamenaných událostí. Analyzovat lze buď všechny vstupy současně nebo výběr omezit na zobrazení úzké skupiny vstupů. Archivační nástroj ukládá vyčtená data z každého záznamové zařízení do zvláštního souboru. Inteligence archivačního nástroje zajistí, že v archivačním souboru se duplicitně nezaznamenávají data, která se nacházela v paměti záznamového zařízení BlackBox již při minulém vyčtení. Tímto způsobem lze uchovat zaznamenaná data až 1 rok zpětně. Na data uložená archivačním nástrojem lze opětovně aplikovat nástroje pro grafickou a textovou analýzu. V našem příkladu lze analyzovat data až 1 rok stará a získat tím informace o průběhu změn na všech sledovaných zabezpečovacím zařízení. Spojením záznamového zařízení BlackBox s komunikačním modulem (BB GSM) lze výrazně zvýšit jeho užitnou hodnotu.
Grafická prezentace binárních vstupů
Grafická prezentace analogových vstupů
Protiváhou předchozího příkladu je možnost provozovat pouze jedno záznamové zařízení BlackBox a používat je pouze tehdy, pokud se na provozovaném ZZ začne vyskytovat nepravidelně a komplikovaně odhalitelná porucha. Záznamové zařízení BlackBox se připojí k ZZ, vyčká se až porucha nastane a poté se díky speciální aplikaci pro správu dat analyzují zaznamenané stavy. Výsledkem je získání posloupnosti stavů, která by měla sloužit jako vodítko pro odstranění poruchy. Spektrum využití záznamového zařízení BlackBox, jak je patrné z předchozích ukázek, je obrovské.

Text Jiří Janšta, AK signal Brno


Technické parametry záznamového zařízení BlackBox:
 
Napájecí napětí:15 - 40 VDC
Odběr proudu:cca 20 mA při 24 V
Kapacita paměti:cca 100 000 záznamů
Parametry binárních vstupů (0-15): 
 - ss napětí, aktivní stav:15 - 40 VDC
 - ss napětí, neaktivní stav:0 - 1 VDC
 - st napětí, aktivní stav:15 - 40 VAC / 0,5 - 300 Hz
 - st napětí, neaktivní stav:0 - 0,7 VAC / 0,5 - 300 Hz
 - vstupní proud:1 mA při 24 VDC
Impulsová past:osamocený impuls kratší než 50 ms
Parametry analogových vstupů (0-7): 
 - ss napětí:57 VDC
 - st napětí:40 VAC (efektivní hodnota)
 - vstupní impedance:2 MW
Rozměry:170´110´45 mm
Hmotnost typu BBOX02:600 g
Hmotnost typu BBOX12:680 g
Stupeň krytí:IP 20
Provozní teplota:-25 až +70 °C
© SPŽ