CZ35779U1 - Modem dálkového přenosu dat v železniční infrastruktuře - Google Patents

Description

Modem dálkového přenosu dat v železniční infrastruktuře

Oblast techniky

Modemy UMS (Universal Modem Set) realizují dálkové datové přenosové trasy pro spojení zejména drážních zabezpečovacích nebo i sdělovacích zařízení na rozhraních RS-485 (standard sériové komunikace) a Ethernet.

Dosavadní stav techniky

Do nynější doby se v segmentu datových přenosů s modemy UMS využívaly různé typy přenosových prostředků dostupných na trhu pro průmyslová využití i specializovaná zařízení. Většina těchto zařízení nebyla vybavena dálkovou diagnostikou, ani možností zálohovat přenosy kruhovou topologií přenosových tras. Současně byly určeny pouze pro dálkový přenos bez možnosti filtrování dat. Protože se jednalo o zařízení různých výrobců, nebyla sjednocena jejich mechanická koncepce, ani způsob napájení a zapojení datových portů.

Pro dálkové běžné přenosy v sítích Ethernet se využívaly mediakonvertory a datové přepínače s optickými porty. Výrobce u těchto zařízení negarantoval konstantní a minimální velikost transportního zpoždění dat a správné chování při využití zálohování přenosové trasy kruhovou topologií.

Pro přenosy průmyslových sítí s rozhraními RS-485 společnost AZD Praha vyvinula modemy PENET a následně integrované zařízení Komunikační systém zabezpečovacích zařízení (KSZZ). Tato zařízení byla nasazena od roku 2000 ve stovkách kusů, avšak nyní již zastarala a přestávají se používat v nových systémech. Pro komunikaci staničních zabezpečovacích zařízení z produkce AZD Praha se pro filtrování a směrování dat využívají routery DOR vlastní výroby. Tato zařízení ale nemají rozhraní pro dálkový přenos dat a jsou kombinována s dalším zařízením pro dálkový přenos.

Na základě uvedených vlastností a parametrů a za účelem odstranění problémů při doplnění potřebných fúnkcí bylo nastaveno zadání pro vývoj univerzálního stavebnicového systému modemů UMS.

Podstata technického řešení

Technické řešení se týká zařízení pro přenos dat s modemy dálkového přenosu UMS s rozhraními Ethernet nebo RS-485 (standard sériové komunikace) v železniční infrastruktuře pro komunikaci na optických či metalických přenosových trasách, zejména pro drážní zabezpečovací nebo sdělovací zařízení s požadavkem na minimalizaci průchozího zpoždění přenášených dat a na dálkovou diagnostikou celé zřetězené nebo kruhové přenosové trasy z kteréhokoliv modemu přes konfigurační a diagnostické rozhraní a na autentizaci propojení sousedních modemů, to je s automatickou reakcí při poruše jednoho ze dvou provozních optických vláken, a s možností umístění řídicí části zabezpečovacího zařízení s technologickými počítači do jedné železniční stanice a do dalších stanic umístění pouze prováděcích počítačů pro zajištění bezpečného ovládání a dohled prvků v kolejišti.

Podstata technického řešení spočívá v tom, že každý modem dálkového přenosu obsahuje datový přepínač, který je obousměrně propojený s jednočipovým počítačem (mikrokontrolérem) a programovatelným logickým integrovaným obvodem (hradlovým polem) a přes optické převodníky s konektory pro připojení dálkových linek, kde hradlové poleje obousměrně propojeno

-1 CZ 35779 UI s mikrokontrolérem, napojenému na konfigurační a diagnostické rozhraní USB, přičemž datový přepínač je obousměrně propojen s jednotlivými uživatelskými porty modemu.

Přenos dat je realizován s minimalizovaným zpožděním, přičemž spojení mezi všemi navzájem sousedícími modemy zahrnuje autentizaci propojení.

Řešení zahrnuje následně popsané funkční technické vlastnosti, které jsou vlastní buď všem typům modemů ve stavebnici, nebo jen jejich části podle specifických požadavků koncových účastníků přenosu - obvykle železničních zabezpečovacích zařízení.

Tyto speciální funkční vlastnosti jsou popsány v následujícím textu:

a) Konstantní minimalizované zpoždění průchodu dat modemy UMS i dálkovou trasou:

Všechny typy mají ve svém návrhu optimalizováno vnitřní zpracování přenášených dat s ohledem na zaručené extrémně minimální průchozí zpoždění. Čas zpracování dat, procházejících modemem s optickým dálkovým rozhraním, je menší než průchod jedním kilometrem optického jedno vidového vlákna (méně než 5 ps). U modemů pro metalické páry dálkového kabelu je zpoždění 1,8 ms, a to sjeho garancí. Při projektování dálkové trasy lze relativně přesně určit výsledné zpoždění dat a již v tomto okamžiku provést kontrolu vlivu na připojená koncová zařízení.

Malé konstantní zpoždění při průchodu modemy UMS je dosaženo obvodovým řešením hardware s hradlovými poli v kombinaci s metodou zakódování uživatelských dat. Podporu a dohled nad zpracováním poskytuje speciální pevné programové vybavení - firmware modemu UMS.

Výjimečná funkční vlastnost, kterou je zde konstantně minimální transportní zpoždění, zejména v optické přenosové trase, umožňuje decentralizaci staničního zabezpečovacího zařízení v řádu desítek až stovek kilometrů.

b) Kontrola integrity v přenosové trase s modemy UMS a dálková diagnostika:

Modemy UMS mají integrovánu přímo do vnitřního hardware a firmware kontrolu legálnosti propojení mezi modemy (autentizace propojení), která nedovolí spojit v dálkové trase nepovolené kombinace typů modemů UMS. Obdobně je tomu při nesprávně nastavených konfiguracích v modemech.

Výjimečnou vlastností je zde kontrola každého jednotlivého propojení mezi dvěma modemy chybné propojení má jednoznačně za následek nefunkčnost částí zabezpečovacích zařízení, případně vypnutí celého zabezpečovacího zařízení.

Modemy UMS umožňují dálkovou diagnostiku celé přenosové trasy, s použitím servisního počítače připojeného ke kterémukoliv modemu zřetězené nebo kruhové trasy, přes rozhraní USB. Tato funkce nemá vliv na zpoždění v aktivních datových kanálech trasy a je integrována přímo do obvodového řešení každého modemu.

Je zde tedy integrována podpora dálkové diagnostiky přímo do pevného programového vybavení modemů při vyloučení zpoždění průchodu uživatelských dat vlivem prováděné interní diagnostiky.

c) Podpora zřetězené i kruhové topologie dálkové přenosové trasy s modemy UMS:

Modemy UMS pro trasy s optickými vlákny mají integrovánu přímo do vnitřního hardware a firmware podporu pro topologii zřetězené i kruhové struktury dálkové trasy s až šestnácti modemy. Kruhová trasa přitom poskytuje horkou zálohu přenosu uživatelských dat s minimalizovanou dobou výpadku v řádu stovek ms při rozpojení i znovuobnovení kruhu.

- 2 CZ 35779 UI

Výjimečnou vlastností je zde řízení přechodu z kruhové topologie dálkové optické trasy na zřetězenou topologii a zpět. Přechodový stav je nastaven a řízen časově tak, aby nedošlo k výpadku funkce připojených zabezpečovacích zařízení v případě přerušení kruhu, ani při znovuobnovení kruhu, kdy jsou naopak zcela eliminovány případné duplicity v datech připojených zařízení. To je zajištěno na úrovni firmwaru modemů UMS.

d) Typy modemů UMS - speciální kombinace modem-router:

Stavebnicový systém a jednotlivé typy modemů UMS lze rozdělit podle typu dálkové trasy:

- optické jednovidové (SM) kabely

- optické vícevidové (MM) kabely

- metalické kabely

Podle lokálního rozhraní, tedy podle typů sítí, které se v dálkové trase přenáší a jejich funkce:

- čtyři nezávislá sériová propojení s rozhraním RS-485 - ukončení všech sítí v každém z modemů dálkové trasy

- síť Ethernet - ukončení na portech v každém z modemů trasy, porty s funkcí switch

- síť Ethernet s funkcí router - ukončení na portech v každém z modemů trasy (směrování a filtrování dat mezi rozhraními)

Podle mechanického řešení modemu:

- modem je v kovovém pouzdře, které tvoří kompaktní modul a je určen do prostředí přístrojových skříní s vyšší úrovní IP krytí

- modem ve formě zásuvné jednotky pro modulární systém

Modem pro sítě Ethernet může mít výměnou jedné z desek plošných spojů modifikaci jako modem-router. Obdobně lze modifikovat rozhraní dálkové trasy jako optické jednovidové, vícevidové nebo metalickými kabely (omezení datového toku).

Výjimečnou vlastností je zde kombinace modem-router pro sítě Ethernet, která ve svém obvodovém řešení zahrnuje možnost připojení do dálkové zřetězené i kruhové trasy (optická trasa) s ostatními modemy systému UMS a současně podle konfiguračních pravidel dokáže provést směrování a filtraci přenášených uživatelských dat. Dálková trasa tak může být pro některá data rozdělena na několik nezávislých částí, podle potřeb zabezpečovacího zařízení. Modemy s funkcí modem-router mohou být v jedné trase kombinovány s modemy modem-switch.

Objasnění výkresu

Bloková struktura základního modemu pro sítě Ethernet i pro rozhraní standardní sériové komunikace (RS-485) je na obr. 1.

Každý modem dálkového přenosu UMS obsahuje datový přepínač, který je obousměrně propojený s mikrokontrolérem a programovatelným hradlovým polem a přes optické převodníky s konektory pro připojení dálkových linek, kde hradlové pole je obousměrně propojeno s mikrokontrolérem, napojenému na konfigurační a diagnostické rozhraní USB, přičemž datový přepínač je obousměrně

-3CZ 35779 UI propojen s jednotlivými uživatelskými porty modemu. Napájení celého modemu je realizováno pomocí stejnosměrného měniče (DC/DC převodník).

Datový přepínač zpracovává příchozí a odchozí provoz na základě informací obsažených v datech a znalosti, na který z portů přicházejí, podle obsahu své interní tabulky jej přeposílá na relevantní odchozí porty, resp. filtruje. Mikrokontrolér indikuje stav a řídí provoz celého modemu na základě uživatelské konfigurace, nahrané přes konfigurační a diagnostické rozhraní USB. Programovatelné hradlové pole provádí rychlé hardwarové operace nad daty v závislosti na tom, jak je podle příslušné konfigurace nastaveno mikrokontrolérem. Převodníky konvertují interní rozhraní z přepínače na optické nebo metalické rozhraní, které je přes konektory připojeno na externí dálkové linky. Přepínač je propojen s uživatelskými porty, kam se připojují lokální porty komunikujících zařízení, například železniční zabezpečovací zařízení, využívajících služby modemu.

Příklady uskutečnění technického řešení

a) Příklad technického řešení pro specifickou vlastnost modemů UMS:

Konstantní minimalizované zpoždění průchodu dat modemy UMS i dálkovou trasou.

Typická aplikace přenosové trasy se zřetězenou nebo kruhovou topologií při decentralizaci staničního zabezpečovacího zařízení do více stanic. Běžné elektronické staniční zabezpečovací zařízení je umístěno pouze v jedné železniční stanici, kterou řídí, zde se však jedná o případ, kdy jedno elektronické zabezpečovací zařízení řídí celou trať s více stanicemi. Řešením je zde umístění řídicí části zabezpečovacího zařízení s technologickými počítači do jedné stanice a do dalších stanic umístit pouze prováděcí počítače, které zajišťují bezpečné ovládání a dohled prvků v kolejišti. Propojení mezi stanicemi zajišťuje trasa s modemy UMS, které v optické trase mají tak malé zpoždění přenosu dat, že decentralizované elektronické zabezpečovací zařízení může být provozováno stejně, jako by bylo celé umístěno v jedné stanici.

Obdobným případem přenosu s minimalizovaným zpožděním je propojení několika staničních zabezpečovacích zařízení do jedné trasy a zajištění jejich dálkového ovládání.

b) Příklad technického řešení pro specifickou vlastnost modemů UMS:

Kontrola integrity v přenosové trase s modemy UMS a dálková diagnostika.

Všechny segmenty dálkové přenosové trasy mezi jednotlivými modemy UMS jakéhokoliv typu jsou vždy podrobeny kontrole propojení sousedů - autentizaci spojení. Pokud nejsou splněny podmínky povolených kombinací typů modemů v trase nebo správného nastavení konfigurace modemů (např. shodné parametry přenosových rychlostí a formátu dat) jednotlivé segmenty zůstanou pro přenos uživatelských dat přerušeny. Diagnostická data přitom procházejí a dálkovou diagnostikou lze rychle určit segment trasy, kde nejsou splněna povolená kritéria.

Při přenosu dat zabezpečovacích zařízení je zcela vyloučeno, aby se předávala data v přenosové trase, jež neodpovídají požadované konfiguraci. Toto je striktně vyžadováno nejen při aktivaci systémů zabezpečovacích zařízení, ale i při výměně jednotlivých modemů, např. během servisního zásahu. Při nesprávně předaných datech, která neodpovídají přísnému standardu, by došlo k bezpečnostnímu vypnutí celého zabezpečovacího zařízení. Proto modemy UMS provádí kontrolu autentizace na všech dálkových rozhraních, a to ještě před uvolněním přenosu dat. Tato vlastnost je přímo zapracována do obvodového zapojení a firmware modemu.

Dálkovou diagnostikou lze určit místo závady.

-4CZ 35779 UI

c) Příklad technického řešení pro specifickou vlastnost modemů UMS:

Podpora zřetězené i kruhové topologie dálkové přenosové trasy s modemy UMS.

Modemy UMS jsou využívány podle potřeby v trasách s řetězenou i kruhovou topologií. Obvykle se pro přenosy dat v systémech zabezpečovacích zařízení používá zdvojení tras, ale zálohu datového přenosu lze provést i zaokruhováním trasy.

Výše popisovaná autentizace mezi sousedními modemy se zde využívá i při detekci poruchy jednoho ze dvou optických vláken mezi dvěma modemy - ihned dojde k automatickému rozpojení i druhého vlákna, aby se uživatelská data nepřenášela pouze jedním směrem. Toto se využije zejména také při poruše v trase s kruhovou topologií - trasa při poruše jednoho vlákna ihned přejde z kruhové topologie na zřetězenou a přenos uživatelských dat pokračuje (záloha přenosu). Rychlost přerušení i znovuobnovení kruhové trasy je taková, aby výpadek byl dostatečně krátký a nenarušil funkci zabezpečovacího zařízení, ale současně nedošlo k duplicitám v přenášených datech, jež by měly za následek bezpečnostní vypnutí zabezpečovacího systému.

d) Příklad technického řešení pro specifickou vlastnost modemů UMS:

Typ modemu UMS se speciální kombinací modem-router

Většina moderních zabezpečovacích zařízení nebo jejich částí jsou zapojena do systémů dálkového ovládání, kde se obvykle využívá sítí Ethernet pro jejich vysokou kapacitu a také standardní protokoly v přenášených datech. Na základě obsahu lze pak data třídit, směrovat, případně filtrovat nebo zcela zakázat. V sítích Ethernet dálkového řízení staničních zabezpečovacích zařízení je zpravidla větší množství účastníků komunikace, mezi kterými probíhají datové přenosy. V sítích je tak nutné oddělit a roztřídit data tak, aby procházela tam, kam jsou určena a nemohla se dostávat k ostatním účastníkům nebo by dokonce mohlo dojít k duplicitám.

Pokud nejsou dálkové datové přenosy realizovány jiným komunikačním systémem, je užitečné mít zařízení, jež spojí možnosti řízení průchodu dat (router) s integrovanými porty pro dálkový přenos. Modemy UMS některých typů mají tedy spojeny obě funkce - modem UMS i router. Tyto typy modemů mohou spolupracovat v jedné trase s modemy UMS pro přenos sítě Ethernet s funkcí switch. Řešení se používá zejména pro dálkové řízení na železničních tratích bez jiného komunikačního systému pro přenos dat zabezpečovacích zařízení.

Modemy dálkového přenosu dat UMS v železniční infrastruktuře jsou určeny pro komunikaci na optických či metalických přenosových trasách. Každý modem dálkového přenosu obsahuje datový přepínač 1, který je obousměrně propojený s mikrokontrolérem 2 a programovatelným hradlovým polem 3 a přes optické převodníky 4, 6 s konektory 5, 7 pro připojení dálkových linek. Hradlové pole 3 je obousměrně propojeno s mikrokontrolérem 2, napojenému na konfigurační a diagnostické rozhraní USB 8, přičemž datový přepínač 1 je obousměrně propojen s jednotlivými uživatelskými porty 9, 10. 11. 12 modemu. Blok 13 představuje napájení celého zařízení.

Claims (1)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Modem dálkového přenosu dat v železniční infrastruktuře, pro komunikaci na optických či 5 metalických přenosových trasách, vyznačující se tím, že obsahuje datový přepínač (1), který je obousměrně propojený s mikrokontrolérem (2) a s programovatelným hradlovým polem (3) a přes optické převodníky (4, 6) s konektory (5, 7) pro připojení dálkových linek, kde hradlové pole (3) je obousměrně propojeno s mikrokontrolérem (2) napojeným na konfigurační a diagnostické rozhraní USB (8), přičemž datový přepínač (1) je obousměrně propojen s jednotlivými ίο uživatelskými porty (9, 10, 11, 12) modemu.