Technická koncepce inovovaných výstražníků LED firmy Betamont Zvolen František Gonda, Betamont s.r.o. Zvolen, Ivan Konečný, KAE FEL ZČU Plzeň Jedním z výrobků firmy Betamont Zvolen s.r.o. který firma vyvinula a vyrábí jej od r.2005 je LED výstražník NSV2. Tento výrobek, který se na infrastruktuře ŽSR v provozu osvědčil firma v současné době dále inovuje a zdokonaluje. Červené světlo (světelný talíř) LED výstražníku NSV2 sestává ze dvojice zcela identických větví A a B. Každá větev je tvořena celkem 31 sériově zapojenými červeně svítícími diodami LED. Koncept bezpečnosti vyráběného výstražníku NSV2 je založen na obvodové redundanci spočívající v rozdělení bodových světelných zdrojů z diod LED na terči výstražníku do dvou zcela nezávislých identických větví, (přitom v každé větvi je polovina všech svítivých diod LED terče zařazena do série), bezpečné kontroly napájecích proudů diod LED terče v každé větvi a bezpečné diferenční komparace úbytku napětí na diodách LED terče v obou větvích. Vychází se z úvodního předpokladu požadavků na technickou bezpečnost železničních zabezpečovacích systémů, že v jednom časovém okamžiku se předpokládá vznik pouze jediné nezávislé poruchy, která musí být v dostatečně krátké době detekována. Vlivem poruchy nesmí dojít k nebezpečným stavům podle definice. Předpokládá se, že k poruše dojde pouze v jedné větvi terče výstražníku a k detekci poruchy dojde nejpozději při uvedení PZS do výstrahy. Dále se předpokládá, že v jednom časovém okamžiku dojde k poruše pouze jednoho napájecího obvodu, sloužícího k napájení LED diod ve výstražných terčích. Princip řešení napájecích a dohlížecích obvodů terče výstražníku LED je znázorněn na blokovém schématu na obr.1. Obr.1. U/I Zdroje konstantního proudu, HO1 3 Hladinové obvody, BOLS bezpečný obvod logického součinu 1
Při předpokládané poruše v jedné z větví terče výstražníku LED vedoucí ke zhasnutí celého sloupce svítivých diod LED, nebo více než dvou svítivých diod LED ve sloupci musí být porucha dohlížecími obvody bezpečně detekována. Předpokládá se přitom, že v následujícím poruchovém režimu funkce terče výstražníku LED terč bude svítit s nižším světelným tokem vydávaným v nejhorším případě pouze jednou větví svítivých diod LED. Konkrétní provedení bezpečných dohlížecích obvodů je založeno na využití bezpečného hladinového obvodu s dynamickou funkční kontrolou (dále HO), který pracuje jako okénkový komparátor. Hladinovým obvodem HO 1 (resp. HO 2) je snímáno napětí na rezistorech R1 (resp. R2), které je přímo úměrné velikosti proudu, kterými jsou buzeny svítivé diody LED v jednotlivých větvích terče výstražníku. Toto napětí je porovnáváno v hladinových obvodech HO 1 a HO 2 s vestavěným referenčním napětím. Jestliže je vstupní napětí v zadaném úzkém tolerančním poli hladinových obvodů, je na jejich výstupech generován dynamický signál, který dává bezpečnou informaci o tom, že větvemi svítivých diod protéká (se zadanou tolerancí) jmenovitý budící proud. Hladinový obvod HO 3 bezpečně kontroluje zadanou toleranci diferenčního napětí v jednotlivých větvích terče výstražníku, které je dáno součtem úbytků napětí na PN přechodech propustně polarizovaných svítivých diod LED a úbytku napětí na rezistorech R1 (resp. R2). Na výstupu tohoto hladinového obvodu je generován dynamický signál, který dává bezpečnou informaci o tom, že celkové napětí v jednotlivých větvích je (se zadanou tolerancí) shodné. Detekcí sníženého a zvýšeného napětí lze zachytit poruchy při zkratu více než dvou svítivých diod ve větvi a rovněž poruchy vyvolané růstem vnitřního odporu ve větvi terče výstražníku. Dynamické výstupy hladinových obvodů HO 1, HO 2, HO 3 jsou přivedeny na vstupy bezpečného obvodu logického součinu BOLS. Na výstupu tohoto obvodu je generován statický signál sloužící k buzení výsledného kontrolního relé I. skupiny bezpečnosti pouze tehdy, jestliže jsou buzeny všechny tři logické vstupy výstupními signály hladinových obvodů HO 1, HO 2, HO 3. Koncept bezpečnosti inovovaného výstražníku LED: Firma v r.2011 přikročila k inovaci elektroniky výstražníku NSV2 jednak z důvodu inovace součástkové základny a vyššího využití moderních výrobních technologií a dále z důvodu dalšího zlepšení užitných vlastností výrobku. Optická část výrobku červené světlo (světelný talíř) LED výstražníku je převzata beze změny z původního výrobku. (Dvě identické větve LED diod tvořené celkem 31 sériově zapojenými červeně svítícími diodami LED v každé větvi. Bezpečné dohlížecí obvody, které vychází z původní výše popsané koncepce a znázorněné na obr.1. byly zdokonaleny tak, že základní funkce elektronických obvodů výstražníku jsou dohlíženy i v nevýstražném režimu. Do elektroniky výstražníku byl integrován kmitač včetně synchronizace světel jednotlivých výstražníků a diagnostické obvody. Dále byly navrženy plně elektronické interfejsy vyhodnocovacích a dohlížecích obvodů v technologii PZS. Principielní řešení inovované varianty elektronických obvodů výstražníku je znázorněno na blokovém schématu na obr.2. 2
Obr.2. Výstražník je do technologie PZS celkem 6-ti vodiči (2 vodiče pro napájecí napětí v rozsahu 18 až 36V ss, 2 vodiče pro napájení elektronického výstražného zvonce, 2 vodiče funkční kontroly). V základním bezvýstražném stavu se přivádí napájecí napětí do skříně výstražníku s kladnou polaritou na vstupní svorce a a zápornou polaritou na vstupní svorce b. V tomto stavu je přes můstkový usměrňovač napájen měnič DC/DC se stabilizací výstupního napětí, jehož výstupním napětím je napájena elektronika výstražníku. Z výstupu měniče je trvale napájen kmitač 1Hz, jehož kmitočet je trvale dohlížen dekodérem (dohled kmitače). Napětím z výstupu usměrňovače jsou napájeny čtyři samostatné zdroje konstantního proudu, které 3
zajišťují buzení sériově zapojených diod v každém sloupci výstražného terče. V nevýstražném stavu je na výstupu detektoru polarity napájecího napětí aktivní signál, který nastavuje proudové zdroje do napěťového módu s výstupním napětím nižším, než je prahové napětí sloupce sériově zapojených LED diod. Tímto signálem je rovněž ovládán přepínač polarity kontrolního (dohlížecího) napětí. Tento režim umožňuje pomocí okénkových komparátorů v dohlížecích obvodech (dohled ΔU, dohled ΔI) kontrolovat funkčnost napájecích proudových zdrojů. Výstupy dohlížecích obvodů jsou společně s výstupem dekodéru kmitače přivedeny na součinový obvod jeho výstupem je po zesílení a usměrnění napájen vstup přepínače polarity kontrolního (dohlížecího) napětí, které je přes pomocnou dolní propust přivedeno na výstupní svorky funkční kontroly ve vyznačené polaritě. Na výstupní ss napětí jsou superponovány přes horní propust tónové kódy z výstupu diagnostického modulu, který neplní bezpečnostně relevantní funkce, ale slouží k dálkové kontrole stavových signálů elektroniky výstražníku. Výstražník se aktivuje do výstražného stavu změnou polarity ss napájecího napětí na napájecích a b svorkách. Funkce obvodů napájených přes můstkový usměrňovač se nemění, dojde ale ke ztrátě napětí na výstupu detektoru polarity vstupního signálu. Tím je aktivován proudový mód napájecích zdrojů konstantního proudu pro jednotlivé sloupce LED diod výstražníku, dojde k přepnutí přepínače polarity kontrolního (dohlížecího) napětí a dojde ke krátkodobému resetu zdroje kmitavého signálu 1Hz, kterým je zajištěna synchronizace chodu jednotlivých výstražníků. Korektní funkce výstražníku ve výstražném stavu je dohlížena detekcí napájecích proudů LED diod a detekcí shodného úbytku napětí na sloupcích LED diod, analogicky jako u původního řešení výstražníku NSV2. Výstražný stav je indikován změnou polarity výstupního ss kontrolního (dohlížecího) napětí. Všechny bezpečnostně relevantní funkční bloky výstražníku jsou řešeny s využitím ověřené technologie dynamické logiky a byly prověřeny dílčími RBP. Všechny uvažované poruchové stavy klíčových funkčních bloků elektroniky výstražníku se projeví buď ztrátou kontrolního (dohlížecího) napětí, nebo nesouladem mezi polaritami napájecího napětí v bezvýstražném a výstražném stavu a polaritami kontrolního (dohlížecího) napětí. Vyhodnocovací elektronický interfejs kontrolního (dohlížecího) napětí v technologii PZS je principielně znázorněn na blokovém schématu na obr.3. 4
Obr.3. Napájení výstražníků je provedeno prostřednictvím komutované napájecí sběrnice tak, že po spuštění výstrahy spouštěcím relé SR dojde ke změně polarity napájecího napětí na sběrnici. V základním pohotovostním stavu a po uvedení PZS do výstrahy je pomocí dvojice bezpečných čidel polarity napájecího napětí na jejich výstupech detekována polarita napětí na napájecí sběrnici. Výstupní kontrolní napětí z jednotlivých výstražníků se přivádí bezpečná čidla polarity kontrolního napětí. Výstupy z polaritních čidel jednotlivých výstražníků a výstupy polaritních čidel napájecí sběrnice jsou přivedeny na vstupy bezpečných součinových obvodů. Na jejich výstupech budou v bezporuchovém stavu jak v pohotovostním režimu, tak v režimu výstražném vždy komplementární signály. Komplementarita výstupních signálů je detekována bezpečným obvodem XOR, kterým je buzeno výsledné relé funkční kontroly. Z výstupů obvodů bezpečných součinů lze získat bezpečnou informaci o tom, zda se výstražníky nachází v pohotovostním, nebo výstražném stavu. Na výstupy kontrolních linek jednotlivých výstražníků jsou připojeny přijímače diagnostických údajů se stavovými informacemi z elektroniky výstražníku. 5
Zjednodušená varianta inovace výstražníku NSV2: Pro zajištění zpětné kompatibility připravovaného inovovaného výstražníku s doposud vyráběným a dodávaným výstražníkem NSV2 byla ve firmě Betamont Zvolen vypracována rovněž zjednodušená varianta výše popsané schematiky výstražníku. Řešení této zjednodušené varianty je znázorněno na blokovém schématu na obr.4. Obr.4. Zjednodušená varianta využívá základní funkční bloky elektroniky výstražníku podle obr.2. Její koncept bezpečnosti je shodný s principielním řešením podle obr.1., ve výstražném stavu jsou bezpečně dohlíženy proudy jednotlivých větví sériově řazených svítivých diod a diference úbytků napětí na diodových sloupcích. Elektronika výstražníku je doplněna o diagnostické obvody. Napájení výstražníku a jeho kmitání je řešeno třívodičovým připojením do technologie PZS. Tato modifikace umožňuje připojit výstražník do schématiky PZS typu AŽD71 a PZZ-RE shodným způsobem jako výstražníky žárovkové. 6