Metoda oceny bezpieczeństwa eksploatacji systemów

Transkrypt

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
z. 77
Transport
2011
Jacek Pa, Tadeusz Dbrowski
Wojskowa Akademia Techniczna, Wydzia Elektroniki, Instytut Systemów Elektronicznych
Janusz Dyduch
Politechnika Radomska, Wydzia Transportu i Elektrotechniki, Instytut Systemów
Transportowych i Elektrotechniki
METODA OCENY BEZPIECZE
STWA
EKSPLOATACJI SYSTEMÓW
ELEKTRONICZNYCH UYTKOWANYCH
W TRANSPORCIE
Rkopis dostarczono, wrzesie 2010
Streszczenie: Eksploatacja systemów elektronicznych na rozlegym obszarze kolejowym naraona
jest na oddziaywanie zakóce elektromagnetycznych. Zaburzenia elektromagnetyczne generowane
s przez róda zakóce zamierzone lub niezamierzone, stacjonarne lub ruchome. Poziom
generowanych zaburze elektromagnetycznych wpywa na bezpieczestwo eksploatacji systemów np.
systemów sterowania ruchem kolejowym, systemów elektronicznych. Generowane zakócenia mog
by przyczyn wystpienia stanu alarmu w systemie elektronicznym. Niniejszy artyku przedstawia
ocen bezpieczestwa eksploatacji systemów elektronicznych, na które oddziaywaj zakócenia
elektromagnetyczne.
Sowa kluczowe: system ochrony, system elektroniczny, zakócenia
1. RODOWISKO ELEKTROMAGNETYCZNE
W XX wieku, w wyniku dziaalnoci czowieka wprowadzone zostay sztuczne
czynniki ksztatujce elektroklimat. Na skutek powstania niezliczonych róde
promieniowania nastpio powane znieksztacenie rodowiska elektromagnetycznego.
Szerokie
zainteresowanie
si
niekorzystnym
oddziaywaniem
pól
elektromagnetycznych, z rónych zakresów czstotliwoci, na organizm ludzki i prac
urzdze elektronicznych nastpio z chwil wprowadzenia przez Uni Europejsk
dyrektywy dotyczcej kompatybilnoci elektromagnetycznej [15].
W celu oszacowania wielkoci zakóce elektromagnetycznych wystpujcych na
obszarze kolejowym naley okreli parametry nastpujcych obwodów:
108
x
x
Jacek Pa, Tadeusz Dbrowski, Janusz Dyduch
obwodów, w których pynie prd o duej wartoci (podstacje trakcyjne, sie trakcyjna,
sie powrotna, pojazdy trakcyjne, elektroenergetyczna sie zasilajca);
obwodów, w których pynie prd o maych wartociach (SRK - systemy sterowania
ruchem kolejowym, systemy cznoci przewodowej, radiowej i rozgoszeniowej,
systemy elektroniczne) [3,4,5,6].
RODOWISKO ELEKTROMAGNETYCZNE
Pola zakócajce sztuczne
Zakócenia
promieniowane
Pola zakócajce naturalne
Zakócenia
przewodzone
Wyadowania
atmosferyczne
Wyadowania
elektrostatyczne
zewewntrzna
Kompatybilno
wewntrzna
G2
G1
Konstrukcja
wsporcza
G3
..
G4
Gn
system bezpieczestwa
.
G1,...,Gn – urzdzenia systemu bezpieczestwa
Rys.1. rodowisko elektromagnetyczne na rozlegym obszarze kolejowym
Na system elektroniczny zainstalowany na rozlegym obszarze kolejowym
oddziaywuj zakócenia elektromagnetyczne, których ródem s wymuszenia zewntrzne
oraz wewntrzne. Zakócenia te (zamierzone lub niezamierzone) powoduj znaczne
znieksztacenie naturalnego pola elektromagnetycznego. Wystpowanie zaburze
elektromagnetycznych na obszarze kolejowym, gdzie s uytkowane systemy
elektroniczne moe spowodowa zadziaanie systemu elektronicznego [7,8]. System ten
moe si aktywowa - przej w stan alarmu. Efektem wystpienia takiego stanu pracy
Metoda oceny bezpieczestwa eksploatacji systemów elektronicznych …
109
systemu elektronicznego mog by due straty ekonomiczne (np. zatrzymanie ruchu
pocigów, ogoszenie ewakuacji i wezwanie sub porzdkowych na teren dworca).
Systemy elektroniczne rozpatrywane w tym artykule s to systemy, których celem jest
wykrywanie zagroe wystpujcych w procesie transportowym (zarówno dla obiektów
stacjonarnych jak i ruchomych). Systemy te s coraz czciej stosowane
w procesie transportowym, gdzie zapewniaj bezpieczestwo:
1. ludziom (np. systemy zainstalowane w obiektach staych lotnisk, dworców
kolejowych, portów, itd.);
2. przewoonym towarom w obiektach staych (np. bazy logistyczne, terminale
przeadunkowe ldowe i morskie, itp.);
3. przewoonym towarom w obiektach ruchomych (transport kolejowy, drogowy
i morski – a w poczeniu z systemem GPS mog monitorowa stan adunku
i trasy przejazdu danego rodka lokomocji).
Na rozlegych obszarach kolejowych najczciej wykorzystuje si nastpujce systemy
elektroniczne:
system sygnalizacji wamania i napadu (SSWiN);
system telewizji przemysowej (CCTV);
system kontroli dostpu (SKD);
system sygnalizacji poarowej (SSP).
2. MODEL NIEZAWODNOCIOWY SYSTEMU
ELEKTRONICZNEGO, NA KTÓRY ODDZIAYWUJ
ZAKÓCENIA
Dokonujc analizy niezawodnociowej systemów elektronicznych, które s
eksploatowane na rozlegym obszarze kolejowym mona stwierdzi, e ich struktura
niezawodnociowa jest najczciej struktur mieszan typu szeregowo-równolegego
[10,11]. Rys. 2 ilustruje relacje zachodzce w systemie nadzoru w aspekcie
bezpieczestwa.
Uszkodzenie którego z elementów znajdujcych si w gazi szeregowej struktury
powoduje przejcie systemu ze stanu penej zdatnoci R0 do stanu zawodnoci
bezpieczestwa QB. Uszkodzenie którego z elementów znajdujcych si w gazi
równolegej struktury powoduje przejcie ze stanu penej zdatnoci R0 do stanu zagroenia
bezpieczestwa QZB1 [1]. Stosujc odpowiednie przeksztacenia matematyczne
otrzymujemy zalenoci pozwalajce wyznaczy wartoci prawdopodobiestw
przebywania systemu w wyrónionych stanach R0, QZB1, QB.
110
OB1+JZ
R0
OZB1
QZB1
OZB2+J1Z
QB
ZakóceniaXZ(t)
Rys. 2. Relacje zachodzce w systemie
gdzie:
– R0 – stan zdatnoci systemu, QB – stan zawodnoci bezpieczestwa systemu, QZB1 – stan
zagroenia bezpieczestwa;
– OB1 – intensywno przejcia systemu ze stanu R0 do stanu QB,
– OZB1; OZB2 – intensywno przejcia systemu ze stanu danego do stanu nastpnego,
– J Z – intensywno przejcia systemu ze stanu R0 do stanu QB pod wpywem zakóce,
– J1Z – intensywno przejcia systemu ze stanu QZB1do stanu QB pod wpywem zakóce.
RO(t) – funkcja prawdopodobiestwa przebywania systemu w stanie penej zdatnoci
R0 ( t ) e ( OZB1 J Z OB1 )t
(1)
QZB1(t) – funkcja prawdopodobiestwa przebywania systemu w stanie zagroenia
bezpieczestwa
ª exp[ ( OB1 J Z OZB1 ) t ] exp[ ( OZB 2 J 1Z ) t ] º
QZB1( t ) OZB1 «
»
( OB1 J Z OZB1 OZB 2 J 1Z )
¼
¬
(2)
(QB (t) – funkcja prawdopodobiestwa przebywania systemu w stanie zawodnoci
bezpieczestwa
QB ( t )
ª O ZB 1 O ZB 2 O B1O ZB 2 O ZB 1 J 1Z
º
«
»
O
O
O
J
(
)

(
)
1Z
B1
ZB 1
ZB 2
«
»
«
»
ª
º
« O ZB 1 O ZB 2 « exp[ ( O B1 O ZB 1 ) t ] exp[ ( O ZB 2 J 1Z ) t ] » »

O
O
O
O
O
J
(
)
(
)
«
»
1Z
B1
ZB 1
B1
ZB 2
ZB 1
¬
¼
«
»
ª exp[ ( O B1 O ZB 1 ) t ] O ZB 2 exp[ ( O B1 O ZB 1 ) t ] O B1 exp[ ( O B1 O ZB 1 ) t ] O ZB 1 º »
«

O
B
1
«
»
«
»
( O B1 O ZB 1 ) ( O B1 O ZB 1 O ZB 2 J 1Z )
¬
¼ »
«
«
»
ª
º
exp[ ( O B1 O ZB 1 ) t ]
« O ZB 1 J 1Z «
»
»

O
O
O
O
O
J
(
)
(
)
ZB 1
B1
ZB 1
ZB 2
1Z ¼
¬ B1
«
»
«
»
ª
º

O
O
J
O
O
J
exp[
(
)
t
]
exp[
(
)
t
]
B
1
ZB
2
1
Z
ZB
1
ZB
1
1
Z
« J
»
»
«¬ 1Z «¬
»¼
( O B1 O ZB 1 ) ( O B1 O ZB 2 J 1Z O ZB 1 )
¼
(3)
111
3. WYZNACZANIE WSKANIKA J ODDZIAYWANIA
ZAKÓCE
NA SYSTEM ELEKTRONICZNY
W przypadku oddziaywania zakóce na systemy elektroniczne mona wyróni
nastpujce przejcia pomidzy stanami systemu:
1. system elektroniczny nie reaguje na zakócenie zewntrzne i wewntrzne;
2. urzdzenia wchodzce w skad systemu elektronicznego samoczynnie likwiduj
zakócenia poprzez zastosowane np. filtry pasywne lub aktywne;
3. wystpienie zakócenia powoduje przejcie systemu elektronicznego ze stanu zdatnoci
do stanu niezdatnoci czciowej systemu (np. uszkodzenie jednej z wielu
magistral(central, moduów, itd.) transmisyjnych sygnaów alarmowych – system
realizuje zadanie z mniejsz efektywnoci – cz obszaru kolejowego pozbawiona
jest ochrony elektronicznej;
4. wystpienie zakócenia w systemie elektronicznym powoduje uszkodzenie systemu –
system jest cakowicie niezdatny.
System elektroniczny zainstalowany na terenie kolejowym pracuje w zrónicowanym
rodowisku elektromagnetycznym. W zakresie maych czstotliwoci, na tym terenie,
wystpuje dosy powane znieksztacenie rodowiska elektromagnetycznego.
Zakóceniem, które wystpuje pamie czstotliwoci (0-100) kHz – o katastroficznych
czsto skutkach – jest wyadowanie atmosferyczne. Wartoci indukcji B pola
magnetycznego i natenia E pola elektrycznego wystpujce przy wyadowaniu
atmosferycznym osigaj bardzo due wartoci, które prowadz do uszkodzenia systemu –
rys. 3.
Skadowa E[V/m]
Skadowa H[A/m]
Kilku
kilkunastu m
rzdu m
kilku kA/m
kilkuset kV/m
rzdu
kilkudziesiciu
kilkudziesiciu
kV/m
rzdu kilkuset
rzdu kilkudziesiciu –
kilkuset
Odlego r[m] od
gównego kanau
wyadowania
kilkuset
A/m
rzdu kilkunastu
km
kilka kV/m
100 V/m
Odlego r[m] od
gównego kanau
wyadowania
Rys. 3. Wartoci skadowych pola elektromagnetycznego H[A/m], E[V/m] indukowanych podczas
wyadowania atmosferycznego w funkcji odlegoci od gównego kanau wyadowania
112
Przebiegi prdów wyadowa atmosferycznych bywaj zrónicowane i zmieniaj si w
funkcji wysokoci. Podczas wieloletnich bada do opisu prdu pioruna byy stosowane
róne formuy matematyczne. Wiele zalenoci opisujcych przebiegi prdu wyadowa
atmosferycznych tworzonych jest na podstawie ogólnego wzoru Heidlera [1,12]. W
normach IEC oraz KTA stosuje si nastpujce wzory, dla N=10 [13].
i( t )
I m ( t / W 1 )N
exp( t / W 2 )
K 1 ( t / W 1 )N
Im
1
§ W ·§ W · N
exp[ ¨¨ 1 ¸¸¨¨ N 2 ¸¸ ]
© W 2 ¹© W 1 ¹
( t / W 1 )N
exp( t / W 2 )
1 ( t / W1 )N
(4)
Widmo prdu wyadowania mona przedstawi za pomoc równania
I( Z ) kI Im(
1
D jZ
1
E jZ
)
ki I m ( E D )
( D jZ )( E jZ )
(5)
gdzie:
2 d N d 10, Im –warto maksymalna prdu, K - wspóczynnik korekcyjny,
W1 - wspóczynnik czasu trwania czoa, W2 – wspóczynnik czas opadania;
D, E - wspóczynniki okrelajce czas trwania czoa i czas do pószczytu.
Dokonujc analizy widmowej przebiegu wyadowania atmosferycznego mona stwierdzi,
e w pamie do 100 kHz zgromadzona jest znaczca wikszo energii wyadowania
(okoo 99,6% cakowitej energii).
Wskanik J oddziaywania zakóce na system elektroniczny osiga wartoci z zakresu od
zera do jeden. Przy uwzgldnieniu oddziaywa wyadowania atmosferycznego oraz
zakóce stacjonarnych i ruchomych (generowanych w sposób zamierzony lub
niezamierzony na obszarze kolejowym) warto graniczna wspóczynnika zostaa
okrelona jako:
= < 0, 1 >
(6)
gdzie:
J = 0 – na system nie oddziaywuj zakócenia (system ekranowany – klatka Faradaya);
J = 1 – system naraony na wyadowanie atmosferyczne (peron dworca kolejowego).
4. WYZNACZENIE FUNKCJI * BEZPIECZE
STWA
PRACY SYSTEMU ELEKTRONICZNEGO
Systemy elektroniczne nale do klasy systemów zoonych. Praktycznie niemoliwe
jest stworzenie systemu elektronicznego o tzw. uniwersalnym zastosowaniu. Dlatego
w praktyce transportowe systemy elektroniczne budowane s dla efektywnej pracy
w okrelonych warunkach najbardziej typowych dla systemów danej klasy (klasy systemu
elektronicznego I-IV). Warunki te mona nazwa warunkami normalnymi, a proces
113
funkcjonowania systemu w warunkach normalnych – procesem niezakóconym
funkcjonowania systemu nadzoru.
Funkcja poziomu * bezpieczestwa pracy systemu elektronicznego to charakterystyka
liczbowa, która okrela stopie przystosowania systemu do wykonywania postawionych
zada w danym rodowisku elektromagnetycznym istniejcym na rozlegym obszarze
kolejowym – rys. 4. Warto funkcji poziomu * bezpieczestwa pracy systemu
elektronicznego powinna by jak najwiksza ze wzgldu na oddziaywujce zakócenia
elektromagnetyczne – system posiada wiksz odporno na zakócenia. Sposób okrelenia
funkcji * bezpieczestwa zosta przedstawiony na rys. 4 – im wskanik posiada wiksz
warto tym system elektroniczny jest bardziej odporny na oddziaywanie zakóce.
Funkcja poziomu * bezpieczestwa pracy systemu elektronicznego zaley od wielu
parametrów, wród których podstawow rol odgrywaj parametry D1, D2,..., Dn systemu
(np. impedancja/rezystancja/ wejciowa/wyjciowa, wzmocnienia napiciowe, prdowe,
mocy,..., parametry elementów elektronicznych biernych i aktywnych itd. elementów
skadowych /urzdze/ systemu elektronicznego) oraz parametry charakteryzujce wpyw
otoczenia J1, J2, ..., Jm (np. temperatury, wilgotnoci lub zakóce elektromagnetycznych).
Zatem funkcj bezpieczestwa * systemu elektronicznego mona zapisa
w postaci:
* = *(D1, D2,..., Dn; J1, J2, ..., Jm)
(7)
Wpyw zakóce na wartoci wspóczynników Di* parametrów Di mona przedstawi
w postaci:
(8)
Di* = Di0 r 'Di
gdzie: Di0 – oznaczaj wartoci parametrów systemu w normalnych warunkach; a 'Di –
zmiany parametrów pod wpywem zakóce. Zakócenia powoduj zmian wartoci
parametrów J1, J2, ..., Jm. Zakócone wartoci Jj* parametrów Jj mona przedstawi
w postaci:
(9)
Ji* = Ji0 r 'Ji
gdzie: Ji0 – oznaczaj wartoci parametrów charakteryzujcych wpyw otoczenia
w normalnych warunkach, a 'Ji – zmiany parametrów wywoane zakóceniami.
Warto *0norm funkcji bezpieczestwa * dla normalnych warunków funkcjonowania
systemu elektronicznego mona okreli jako:
*0norm = *(D01, D02,..., D0n; J01,J02,...,J0m)
(10)
Warto **zakóce funkcji bezpieczestwa * pod warunkiem dziaania na system
zakóce zewntrznych i wewntrznych z okrelonymi charakterystykami jako:
**zakóce = *(D*1, D*2,..., D*n; J*1,J*2, ..., J*m)
(11)
114
Rys. 4. Okrelenie poziomu bezpieczestwa *E1 i *E2 dziaania transportowego systemu
elektronicznego w przypadku oddziaywania zakóce elekromagnetycznych dla zakresu
czstotliwoci ELF i VLF – natenie E pola elektrycznego
Objanienia do rys. 4: a){d} wyznaczony poziom *E1 i *E2 bezpieczestwa w przypadku
oddziaywania natenie E pola elektrycznego dla zakresu czstotliwoci ELF {VLF} dla kabli
elektroenergetycznych bez ekranów, b){e} wyznaczony poziom *’E1 i *,E2 bezpieczestwa w
przypadku oddziaywania natenie E pola elektrycznego dla zakresu czstotliwoci ELF {VLF}
dla kabli elektroenergetycznych z ekranami, c){f} wyznaczony poziom *E1u i *E2u bezpieczestwa
w przypadku oddziaywania natenie E pola elektrycznego dla zakresu czstotliwoci ELF
{VLF} dla wybranych elektrycznych urzdze stanowicych ródo zakóce dla systemu nadzoru.
Warto rónicy '*0zakóce = *0norm - **zakóce moe by przyjta jako warto funkcji
okrelajca stopnie odpornoci systemu na zakócenia – rys. 5.
Intensywno uszkodze systemu elektronicznego O mona zapisa jako:
O (t )
O (t )
wF (t )
wt
w F ( t ) wX

wX
wt
w F ( t ) k Z wX Z w F ( t ) k m w X M w F ( t ) k E w X E w F ( t ) k C w X C
¦
¦
¦
¦
wX Z 1 wt
wX M 1 w t
wX E 1 wt
w X C 1 wt
(12)
(13)
gdzie: F(t) – funkcja zawodnoci systemu elektronicznego, X – zapas wytrzymaoci
elementów z których zbudowany jest transportowy system nadzoru; - wytrzymao:
zakóceniowa XZ; mechaniczna XM; elektryczna XE; cieplna XC.
Rys. 5. Wyznaczenie wskaników JE1, JE2 i okrelenie poziomu bezpieczestwa *E1, *E2 dla
systemu elektronicznego przy oddziaywaniu natenia E pola elektrycznego dla zakresów
czstotliwoci ELF i VLF
115
116
5. ODDZIAYWANIE ZAKÓCE
NA SYSTEM
ELEKTRONICZNY O STRUKTURZE
NIEZAWODNOCIOWEJ SZEREGOWO-RÓWNOLEGEJ
Symulacj zachowania si systemu elektronicznego przeprowadzono dla zakóce,
które s wytwarzane na rozlegym obszarze kolejowym – od wartoci pola
elektromagnetycznego, które istnieje w pomieszczeniu uytkowym przez wartoci pola
generowane na terenie peronu kolejowego – do wyadowania atmosferycznego (zakres
zmian wartoci J - rys. 4). Dla w/w wartoci J wyznaczono wskaniki R0(t), QZB1(t) oraz
QB(t) bezpieczestwa eksploatacji systemu nadzoru – rys. 6, 7.
Analizujc rys. 6, 7 mona stwierdzi e dla maych wartoci wskaników
J zakóce system praktycznie utrzymuje sta warto parametru R0(tb)Z – system
elektroniczny jest niewraliwy na zakócenia o maych amplitudach (do J = 1010-6). Jeeli
system elektroniczny zainstalowany jest na terenie budynków dworca kolejowego to
naley uwzgldni ekranujcy wpyw instalacji odgromowej o rónych wymiarach oka
instalacji odgromowej. Wymiary oka instalacji odgromowej wpywaj na przebieg funkcji
stanu penej zdatnoci R0(tb)Z – (rys. 7). Zmniejszanie wymiarów oka instalacji
odgromowej (20x20 m na 5x5 m) powoduje, e system elektroniczny jest mniej wraliwy
na zakócenia - funkcja poziomu bezpieczestwa * równa jest J = 10010-6.
R0(tb)Z
QZB1(tB)Z
QB(tB)Z
R0(tb)Z5x5
QZB1(tB)Z5x5
QB(tB)Z5x5
R0(tb)Z
R0(tb)Z5x5
110-6
QZB1(tB)Z
QZB1(tB)Z5x5
1010-6
10010-6
QB(tB)Z
QB(tB)Z5x5
50010-6
80010-6
1
J
Rys.6. Przebieg prawdopodobiestwa przebywania systemu o strukturze szeregowo-równolegej
w rónych stanach w funkcji wskanika zakóce
117
Objanienia do rysunku 6: System w stanach: R0(t)Z, QZB1(t)Z, QB(t)Z - zainstalowany na terenie
peronów kolejowych; R0(tb)Z5x5, QZB1(tB)Z5x5, QB(tB)Z5x5 – system zainstalowany w budynku dworca
kolejowego wyposaonego w instalacj odgromow o wymiarach oka 5x5 m; RO(tb)Z – funkcja
prawdopodobiestwa przebywania systemu w stanie penej zdatnoci; QZB1(tb)Z – funkcja
prawdopodobiestwa przebywania systemu w stanie zagroenia bezpieczestwa; QB(tb)Z – funkcja
prawdopodobiestwa przebywania systemu w stanie zawodnoci bezpieczestwa.
Na warto funkcji * poziomu bezpieczestwa systemu elektronicznego maj
wpyw ekranujce waciwoci budynków, które s wyposaone w instalacj odgromow.
Take przegrody budowlane (ciany, stropy, pokrycia metalowe dachów) powoduj
zmniejszenie skadowych E, H pola elektromagnetycznego szczególnie z zakresu
wyszych czstotliwoci (np. zakres czstotliwoci wykorzystywany w telefonii
komórkowej). Skadowa E pola elektromagnetycznego z zakresu maych czstotliwoci do
100 kHz jest wydatnie tumiona przez przegrody budowlane, natomiast skadowa H nie
podlega osabieniu [8]. Wpyw wymiarów oka instalacji odgromowej na przebieg
prawdopodobiestwa przebywania systemu elektronicznego o strukturze szeregoworównolegej w stanie penej zdatnoci R0(tb)Z w funkcji wskanika J zakóce zosta
przedstawiony na rys. 7. Zmniejszanie wymiarów oka instalacji odgromowej (wzrost
tumienia sygnau zakócajcego) powoduje zwikszenie wartoci funkcji * poziomu
bezpieczestwa.
R0(tb)Z
0,8
R0(tb)Z20x20
R0(tb)
R0(tb)Z10x10
0,7
R0(tb)Z5x5
R0(tb)Z20x20
R0(tb)Z10x1
R0(tb)Z5x5
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
*SZ
*SZ20x20
*SZ10x10
*SZ5x5
110-6
1010-6
10010-6
50010-6
80010-6
1
J
Rys. 7. Przebieg prawdopodobiestwa przebywania systemu o strukturze szeregowo-równolegej w
stanie penej zdatnoci R0(tb)Z w funkcji wskanika J zakóce
Objanienia do rysunku 7: (R0(tb)Z – stan penej zdatnoci, system zainstalowany na terenie peronu;
R0(tb)Z20X20, R0(tb)Z10X10, R0(tb)Z5X5 – system zainstalowany w pomieszczeniach budynku dworca
kolejowego wyposaonego w instalacj odgromow o rónych wymiarach oka np. Z20xZ20
(20 m x 20m)
118
5. ZAKO
CZENIE
W artykule przedstawiono metod oceny bezpieczestwa eksploatacji systemów
elektronicznych uytkowanych w transporcie. Systemy elektroniczne coraz czciej
wykorzystywane s w procesie transportowym, gdzie zapewniaj bezpieczestwo ludziom (s to systemy instalowane w obiektach staych – lotniska, dworce, itd.) oraz
przewoonym towarom (w obiektach staych – np. bazy logistyczne lub ruchomych – np.
transport kolejowy, morski, itd.). Systemy elektroniczne uytkowane s w zrónicowanych
warunkach klimatycznych oraz rodowisku elektromagnetycznym.
Wprowadzenie
sztucznych
róde
promieniowania
elektromagnetycznego
zamierzonego (stacje radiowe, telewizyjne, itd.) i niezamierzonego (np.
elektroenergetyczne linie zasilajce) spowodowao znieksztacenie elektroklimatu –
wytworzenie „smogu” elektromagnetycznego. Wybrane róda zakóce istniejce na
obszarze kolejowym, które znieksztacaj naturalne pole elektryczne istniejce na tym
obszarze przedstawiono na rys. 5. Wystpowanie zakóce elektromagnetycznych moe
by przyczyn aktywowania systemu – wystpienie stanu alarmowania w systemie
elektronicznym co jest zwizane z powstaniem wymiernych strat ekonomicznych (np.
zatrzymanie ruchu pocigów).
Prawidowe funkcjonowanie systemów elektronicznych uytkowanych w transporcie
uzalenione jest od:

niezawodnoci poszczególnych czci skadowych tworzcych system;

wewntrznej struktury niezawodnociowej systemu elektronicznego;

przyjtych do realizacji strategii eksploatacji systemu elektronicznego;

zakóce elektromagnetycznych oddziaywujcych na proces eksploatacji systemu
elektronicznego uytkowanego na rozlegym obszarze.
Analizujc prac systemów elektronicznych o strukturze szeregowo-równolegej mona
stwierdzi, e funkcja bezpieczestwa * pracy systemu elektronicznego zaley od miejsca
zainstalowania – teren otwarty (np. peron kolejowy) czy teren zamknity (np. budynki,
magazyny znajdujce si na rozlegym obszarze kolejowym) – rys. 7. W przypadku gdy
systemy elektroniczne s uytkowane w budynkach lub magazynach wyposaonych w
instalacj odgromow warto funkcji * poziomu bezpieczestwa pracy zaley od
wymiarów oka instalacji odgromowej. Poprzez wymiary oka instalacji mona ksztatowa
przebieg prawdopodobiestwa przebywania systemu o strukturze szeregowo-równolegej
w stanie penej zdatnoci R0(tb)Z – rys. 7.
Wartoci poszczególnych prawdopodobiestw przebywania systemu elektronicznego
w wyrónionych stanach zale od waciwoci zakócajcego pola elektromagnetycznego
– czy dominuje wektor pola magnetycznego czy elektrycznego. Zmniejszanie wymiarów
oka instalacji odgromowej (20x20 m na 5x5 m) powoduje, e system elektroniczny jest
mniej wraliwy na zakócenia. Funkcja poziomu bezpieczestwa * jest odpowiednio
wiksza co zostao przedstawione na rys. 6 (wzrost funkcji poziomu bezpieczestwa * do
wartoci J = 10010-6 dla instalacji odgromowej o wymiarach 5x5 m).
Najwikszy wpyw na prawdopodobiestwa przebywania systemu elektronicznego w
wyrónionych stanach ma indukcja B pola magnetycznego z zakresu czstotliwoci ELF –
119
tj. czstotliwoci zawartych w pamie od 0 Hz do 2 kHz. (tumienie indukcji B pola
magnetycznego przez instalacj odgromow dla tego zakresu czstotliwoci jest
najmniejsze). Najmniejszy wpyw na prawdopodobiestwa przebywania systemu w
wyrónionych stanach ma natenie E pola elektrycznego z zakresu czstotliwoci VLF, tj.
czstotliwoci zawartych w pamie od 2 kHz do 100 kHz. Wybrane róda zakóce
elektromagnetycznych w pamie czstotliwoci od 0 do 100 kHz dla skadowej
elektrycznej pola zostay przedstawione na rys. 5.
Podsumowujc, funkcja bezpieczestwa * dziaania systemu elektronicznego zaley
od:
- waciwoci pola elektromagnetycznego – skadowe pól E, H;
- czci skadowych systemu elektronicznego, które maj waciwoci ekranujce
zakócenia elektromagnetyczne (np. kable koncentryczne z oplotem ekranujcym;
zamknite w metalowej obudowie centrale alarmowe, kamery, moduy rozszerze lub
mocy, czujki systemu posiadajce metalow podstaw obudowy;
- miejsca zainstalowania elementów systemu nadzoru – teren otwarty lub zamknity
obiektu kolejowego – tumienie zakóce przez przegrody budowlane tj. ciany,
stropy, metalowe dachy, itd.;
- sposobu uoenia - budowy wewntrznej kabli magistral transmisyjnych – np. kable
koncentryczne z oplotem ekranujcym,
- sposobu prowadzenia instalacji /magistral/ systemu elektronicznego np.
z wykorzystaniem ekranujcych waciwoci metalowych ekranów /metalowe
podwieszane korytka/;
- stosowanie oddzielnych kanaów budowlanych dla prowadzenia magistral
transmisyjnych systemów elektronicznych w przypadku wystpowania linii
energetycznych w których przepywaj prdy o znacznych wartociach – zasilanie
trakcji kolejowej;
- zachowanie minimalnej odlegoci magistrala transmisyjna – kabel energetyczny dla
zachowania wymaga braku wzajemnego oddziaywania elektromagnetycznego
(pojcie kompatybilnoci elektromagnetycznej).
Do zwikszenia funkcji * bezpieczestwa systemu elektronicznego wymagane jest:
- zastosowanie elementów optoelektronicznych, np. kabli wiatowodowych jako
magistral transmisyjnych;
- zastosowanie bezprzewodowego poczenia elementów systemu elektronicznego,
który wykorzystuje wysokie czstotliwoci (rzdu GHz) i modulacj cyfrow odporn
na zakócenia istniejce na obszarze kolejowym;
- w miejscach o wysokim poziomie zaburze elektromagnetycznych stosowanie
urzdze wykonawczych (np. sygnalizatorów) lub czujek o duym poziomie sygnau
uytecznego (poziom napi zakócajcych zbyt may – nieprzekroczony
dopuszczalny poziom zakóce wasnych systemu);
- stosowanie elementów elektronicznych wykonawczych odpornych na zakócenia – np.
wczanie/wyczanie alarmu elementy typu przekanik;
- zwikszenie poziomu sygnaów uytecznych w elektronicznych systemach
alarmowych;
120
- stosowanie odpowiednich filtrów aktywnych lub pasywnych w celu tumienia
zakóce elektromagnetycznych;
- wykorzystanie ekranowania róde zakóce i elementów systemu elektronicznego.
Bibliografia
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
Aniserowicz K.: Analiza zagadnie kompatybilnoci elektromagnetycznej w rozlegych obiektach
naraonych na wyadowania atmosferyczne. Politechnika Biaostocka 2005.
Bdkowski L., Dbrowski T.: Podstawy eksploatacji, cz 2. Wydawnictwo WAT, Warszawa 2006.
Dyduch J., Moczarski J.: Podstawy eksploatacji systemów sterowania ruchem kolejowym.
Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom 2009.
Dy duch J., Pa J.: Optymalizacja procesu eksploatacji w transportowych systemach nadzoru, XII
Midzynarodowa Konferencja Naukowa „TransComp – 2008” Zakopane.
Dyduch J., Pa J.: Eksploatacja transportowych systemów nadzoru na rozlegym obszarze kolejowym” VII
Krajowa Konferencja „Diagnostyka Techniczna Urzdze i Systemów” Diag’ 2009 Ustro.
Dyduch J., Pa J.: „rodowisko elektromagnetyczne na kolei i jego wpyw na systemy bezpieczestwa”.
Transport i Komunikacja nr 1/2009.
Mikulik J. (praca pod red. E. Niezabitowskiej): Budynek inteligentny. T. 2, Podstawowe systemy
bezpieczestwa w budynkach inteligentnych. Wydawnictwo Politechniki lskiej, Gliwice 2005.
Pa J., Dyduch J.: Oddziaywanie zakóce elektromagnetycznych na transportowe systemy
bezpieczestwa. Pomiary Automatyka Robotyka nr 10/2009.
Pa J., Dyduch J.: rodowisko elektromagnetyczne na rozlegym obszarze kolejowym XXIII
Midzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna „Ochrona ludnoci przed skutkami nadzwyczajnych
zagroe” Ekomilitaris 2009, Zakopane.
Pa J.: Wpyw rozrzutu waciwoci elementów linii dozorowej na niezawodno funkcjonaln
systemów bezpieczestwa. Warszawa, Biuletyn WAT nr 2(650) /2008
Pa J., Dbrowski T.: „Methodology of teaching of diagnosing technical security system with examples of
system of signalization of burglary and fire” 4TH International Congress on Technical Diagnostic Olsztyn 0912.09. 2008 r. str. 140.
Wójcik A. (red.): Mechaniczne i elektroniczne systemy zabezpiecze. Verlag Dashofer, Warszawa 2008.
Normy: PN-IEC 61312 – seria norm: Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym.
KTA 2206 Auslegung von Kernkraftwerken gegen Blitzeinwirkungen (norma niemiecka).
International Standard IEC 50 (161): International Electrotechnical Vocabulary, Chapter 161:
Electromagnetic Compatibility; First edition Geneva 1990.
METHOD OF SECURITY OF UTILIZATION OF SECURITY ELECTRONIC SYSTEMS
USED ON A RAILWAY AREA
Abstract: Utilization of electronic systems on a vast railway area is exposed to the impact of electronic
disturbances. Electromagnetic disturbances are generated by deliberate or in deliberate sources, stationary or
mobile. The level of generated electromagnetic disturbances has impact on the process of security of
utilization of systems e.g. systems of railway travel control, security electronic transport systems. Generated
disturbances can be the cense of alarm in security electronic systems. This paper presents the evaluation of
security of utilization of security electronic systems, on which electromagnetic disturbances have impact.
Keywords: technical security system, electronic systems, disturbances
Recenzent: Wojciech Wawrzyski