Demiryolu Sinyalizasyon Sistemi Bileşenlerinin Otomasyon Petri Ağları ile Modellenmesi ve PLC ile gerçeklenmesi K. Akın 1, M.S. Durmuş 2, M.T. Söylemez 3 Kontrol Mühendisliği Bölümü İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul 1 akink@itu.edu.tr Kontrol Mühendisliği Bölümü İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul 2 {durmusmu, soylemezm}@itu.edu.tr Özetçe Demiryollarında trafiğin güvenli olarak gerçekleştirilebilmesi güvenilir sinyalizasyon ve anklaşman (interlocking) sistemlerinin tasarımı ile sağlanmaktadır. Son yıllarda hatada güvenli (Fail-Safe) PLC lerdeki (Programlanabilir Lojik Kontrolör) gelişmeler, bu tür sistemlerin demiryolu anklaşman ve sinyalizasyonunda kullanılmalarına olanak sağlamaktadır. Her ne kadar hatada güvenli PLC lerin çalışma bozuklukları kabul edilebilir düzeyde olsa da, programlamada yapılabilecek mantıksal hatalar demiryolu trafiğinin aksamasına hatta ölümcül kazalara neden olabilmektedir. Sinyalizasyon ve anklaşman sistemlerinin biçimsel yöntemler kullanılarak tasarlanması programlama esnasında oluşabilecek mantıksal hataların ortadan kaldırılması amacıyla daha uygun olmaktadır. Bu çalışmada bir demiryolu sinyalizasyon ve anklaşman sisteminin PLC ile kontrolü için uygun Otomasyon Petri Ağı (OPA) modeli oluşturulmuş ve hazırlanan SCADA yazılımı ile olası tüm senaryolar test edilerek yapılan tasarımın güvenilirliği sağlanmıştır. modellenmiş ve PLC kodlamaları yapılmıştır[13]. Bu çalışmada demiryolunu bölgelere ayırıp OPA modellerini oluşturmak yerine demiryollarında kullanılan bileşenlerin kontrolünü sağlayacak OPA modelleri yapılmaktadır. Bu sayede oluşturulacak OPA modelleri sadeleşmekte ve farklı topolojilerde de kullanılabilecek fonksiyonlar elde edilmektedir. 2. Otomasyon Petri Ağları Basit Petri Ağlarının temel bileşenlerini durumlar ve durumlar arasında geçiş yapan jetonlar oluşturur. Şekil 1(a) da görüldüğü üzere durumunda 2 jeton olması durumunda X 1 ateşleme şartı sağlanırsa P1 den 2 jeton silinip ve e birer jeton eklenerek Şekil 1(b) de görülen durum oluşacaktır. 1. Giriş Demiryolu kontrol lojiğinin belirlenmesi, analizi ve gerçeklenmesi raylı ulaşımın icadından beri önem taşımaktadır. Bu kontrol lojiğinde oluşacak bir hata hayat kayıplarıyla sonuçlanan demiryolu kazalarına neden olabilmektedir [1]. Günümüzde tren hızlarının ve demir yollarındaki trafik yoğunluğunun artmış olması sinyalizasyon sistemlerinin karmaşıklaşmasına ve kontrol lojiğinden beklentilerin artmasına neden olmaktadır [2]. Petri Ağları, deterministik olmayan, asenkron, olay tabanlı ve yapılarında eşzamanlılık bulunan ayrık olay sistemlerinin modellenmesinde kullanılmıştır [3-5]. Fakat algılayıcı ve uyarıcılara sahip sistemlerin modellenmesinde basit petri ağlarının yeterli olmayışı OPA nın geliştirilmesini sağlamıştır[6]. OPA nın diğer bir avantajı ise OPA modellerinin PLC ile gerçeklenmesinin daha kolay olmasıdır [6-11]. Önceki çalışmalarda OPA ile farklı demiryolu bölgeleri modellenmiş ve PLC kodları üretilerek farklı senaryolar üzerinde benzetim çalışmaları gerçekleştirilmiştir [12]. Ayrıca farklı özelliklere sahip makas bölgeleri de OPA ile Şekil 1: Jeton Aktarımı OPA ile basit PA da ki geçiş okuna ( ), yetkilendirme ( ) ve yasaklama ( ) okları eklenmiştir. Şekil 2(a) da görülen yetkilendirme oku, durumunda 3 jeton olmadığı için tetiklemesi oluşsa da durumuna geçişi engelleyecektir. Şekil 2(b) deki yasaklama oku ise durumunda 2 jeton olmadığı için geçişi engelleyemez ve tetiklemesiyle jetonlar P 4 durumuna geçebilir. Şekil 2: Yetkilendirme ve Yasaklama Okları[7]
3. DemirYolu Sistemlerinin Temel Bileşenleri 3.1. Temel Donanım Bileşenleri 3.1.1. Makaslar Trenler yönlendirme sistemlerine sahip değildir, bu nedenle trenin bir raydan diğerine geçişi bu raylar üzerinde bulunan makaslar ile sağlanmaktadır. Makaslar üzerinde bulunan algılayıcılar sayesinde makasın normal (aracın düz gitmesini sağlayan makas durumu) ve sapan (aracın dönmesini sağlayan makas durumu) bildirimleri algılanmaktadır. Elektronik donanım ile kontrol edilen sistemlerde makaslar elektrik motorları ile hareket ettirilerek konumlandırılmaktadır. tanzim yapılmaktadır. Eğer tren raylara sırayla girip çıkarsa tanzim otomatik olarak sonlandırılmaktadır, aksi halde tanzim sonlandırılmak istenirse dispeçer tanzim iptal isteği göndermektedir. Kontrolör bu isteği yine saha durumuna bakarak değerlendirmekte ve bir engel yoksa tanzimi iptal etmektedir. Tanzimlerin bu tanıma uygun olarak çalışmasını sağlayacak OPA modeli Şekil 3 de, yer ve geçişlere ait açıklamalar Tablo 1 de gösterilmektedir. 3.1.2. Ray Devreleri Ray(lar) üzerinde demir yolu aracı olup olmadığını algılayan basit elektrik ekipmanlarıdır. 3.1.3. Sinyaller Demiryollarında tren hareket yönünün sağ tarafında kalan, makinistlere önlerinde bulunan ray bölgesinin meşguliyeti ve ilerleyebilecekleri hız limitleri hakkında bilgi veren ışık sistemleridir. 3.2. Temel Yazılım Bileşenleri 3.2.1. Anklaşman Sistemi Dispeçer olarak adlandırılan kullanıcının uygun isteklerine ve kontrol ettiği demiryolu bölgesinden aldığı sensör bilgilerine göre trenlerin güvenli bir şekilde istenilen güzergâhta hareketini sağlayacak ayarlamaları (güzergâh tanzimi, makas konumlarının ayarlanması, uygun sinyal bildirimlerinin verilmesi) yapan kontrol sistemi olarak tanımlanmaktadır. 3.2.2. Tanzim Ray blokları arasında demiryolu araçlarının hareket edebileceğini bildiren bellek değişkeni olarak tanımlanmaktadır. 4. Anklaşman Sistemi Bileşenlerinin OPA ile modellenmesi Bu çalışmada önceden yapılmış çalışmaların [1] aksine demiryolu sahasının tüm modelinin çıkartmak yerine bileşenler birer nesne olarak düşünülmüş ve nesnelere ait kontrolör yapıları OPA kullanılarak modellenmiştir. 4.1. Tanzim Kontrolör Modeli Tanzim kontrolü dispeçer kullanıcısının isteklerine ve demiryolu sahasının durumuna göre çalışmaktadır, temel işlevi şöyle özetlenebilir: Dispeçer kullanıcısı bir treninin hareketine olanak sağlamak amacıyla tanzim isteğinde bulunursa tanzim kontrolörü saha uygunluğuna bağlı olarak önce makasların pozisyonlarını ayarlayacak işaretleri üretmekte, makaslar ayarlandıktan sonra sinyaller uygun renklerde yakılmakta ve Şekil 3: Tanzim Kontrolörü OPA modeli Tablo 1: Tanzim kontrolöründe kullanılan yer ve geçişlerin açıklamaları P 4 P 5 P 6 P 7 P 8 P 9 t 9 E 1 E 2 E 3 E 4 E 5 Tanzim isteği değerlendirme Makasların hazırlanması Tanzim yapıldı Tren ilk rayda Tren ikinci rayda Tanzim iptal ediliyor Tanzim isteği iptal ediliyor Sıralı ilerleme hatası Tanzim iptal Tanzim isteği Makaslar hazırlanamadı Tanzim iptal isteği kaldırıldı Tanzim isteği kaldırıldı Tanzim iptal isteği Tren 1.raya girdi Tren 2.ray girdi Trenin tamamı 3. rayda 180 s beklendi Çakışan tanzim yasaklaması Raylar müsait yetkilendirmesi Makaslar hazır yetkilendirmesi 1.raydan önce 2.raya girdi yasaklaması 1. ray dolu yasaklaması
4.2. Makas Kontrolör Modeli Makaslar iki yöne (normal veya sapan) çalışabilen ekipmanlardır. Makaslar tanzimler tarafından otomatik olarak çalıştırılabileceği gibi dispeçer kullanıcısı tarafından manüel olarak da çalıştırılabilmektedir. Makas çalıştırıldıktan sonraki 7 saniye içinde istenilen konumuna ulaşması beklenmektedir. Eğer bu zaman zarfında makas istenilen konumuna ulaşamazsa ters çalıştırılarak eski konumuna gelmesi amaçlanır, eğer makas eski konumuna da geri dönemez ise çalıştırma işlemi sonlandırılarak trafik kumanda merkezi makas arızası hakkında bilgilendirilmektedir. Makas kontrolörüne ait OPA modeli ve açıklamalar sırası ile Şekil 4 ve Tablo 2 de verilmiştir. 4.3. Sinyal Kontrolör Modeli Sinyaller, dispeçer kullanıcısı tarafından yapılan tanzimlere ve kendinden sonra gelen ray bloklarının dolu ya da boş olmasına göre renk değiştirmektedirler. Anklaşman sistemi tarafından hiçbir uyarma gönderilmeyen sinyaller kırmızı bildirim vermektedir. Demiryolu sistemlerinde kullanılan renk bildirimlerinin anlamları karayollarında kullanılanlara göre farklılıklar göstermektedir. Şekil 5 de üçlü yüksek bir sinyale ait OPA modeli görülmektedir. Şekil 5 de verilen OPA modeline ait açıklamalar Tablo 3 de verilmiştir. Şekil 5: Üçlü Yüksek Sinyal Kontrolörü OPA modeli Tablo 3: Üçlü yüksek sinyal kontrolörü kısalmaları Şekil 4: Makas Kontrolörü OPA modeli Tablo 2: Makas kontrolöründe kullanılan yer ve geçişlerin açıklamaları P 4 P 5 P 6 P 7 P 8 P 9 0 1 2 t 9 0 Otomatik normal çalışma Otomatik sapan çalışma Manüel normal çalışma Manüel sapan çalışma Otomatik normal çalışma isteği Otomatik sapan çalışma isteği Manüel normal çalışma isteği Manüel sapan çalışma isteği Makas normal konumda bildirimi Makas sapan konumda bildirimi 7 s de istenilen konuma gidemedi 7 s de geri dönemedi Çalıştırma sinyalini iptal et Otomatik çalışama komutu geldi Hata oluşma Sarı yakma komutu Yeşil yakma komutu Komut-Bildirim çelişkisi Çelişkili sinyal isteği Çelişkili sinyal bildirimi Komutlar iptal edildi Sarı sinyal isteği Sarı sinyal isteğinin kalkması Yeşil sinyal isteği Yeşil sinyal isteğinin kalkması 5. PLC Fonksiyon Bloklarının Oluşturulması Yukarıda OPA modelleri oluşturulmuş olan kontrolörler, TPL tekniği yardımı ile FBD (Function Block Diagram) kodlarına dönüştürülmektedir [8-11]. Tanzim kontrolüne ait fonksiyon bloğu Şekil 6 da görülmektedir.
Şekil 9: Test için oluşturulan SCADA Arayüzü Şekil 6: Tanzim Kontrolörü PLC Fonksiyon Bloğu Oluşturulan fonksiyon blokları PLC ye aktarılırken ilk çalıştırma durumu göz önünde bulundurularak jetonun hiçbir yerde bulunmadığı durumda başlangıç konumuna gitmesi için Şekil 7 de verilmiş olan blok kullanılarak kodlanmaktadır. Yukarıda OPA modelleri verilen tanzim, makas ve üçlü yüksek sinyalin dışında üçlü cüce ve dörtlü yüksek sinyaller için de aynı yöntemle kontrolörler tasarlanmış ve mantıksal işlemler ile birbirlerine bağlanmıştır. Simülasyonda farklı uzunluklarda trenler eklenerek ve değişik yol tanzimleri yapılarak (Şekil 10) model test edilmiş ve hata yapmadan çalıştığı görülmüştür. Ayrıca simülatör kullanıcısının jeton hareketini kolayca takip edebilmesi için Şekil 11 de gösterilen ara yüz tasarlanmıştır. 7. Sonuçlar Bu çalışmada demiryolu sisteminin bazı bileşenleri birer nesne olarak alınmış ve bu nesnelerin çalışmaları OPA ile modellenerek PLC ile kontrol edilecek sinyalizasyon sistemleri için bir kütüphane oluşturulmuştur. Bu sayede OPA ile oluşturulan genel modelden çok daha basit ve anlaşılır bir model oluşturulmuştur ve PLC kullanıcısı için kod sadeliğine ulaşılmıştır. Geliştirilen kütüphane kullanılarak Şekil 10 da görülen saha için sinyalizasyon programı basitçe oluşturulmuştur. Oluşturulan program farklı tren ve tanzim senaryoları için test edilmiştir. Şekil 7: Jetonun başlangıç konumuna alınması Örnek bir jeton geçiş kodu Şekil 8 de verilmiştir. Bu kod parçası, Şekil 3 de verilen OPA modelindeki ile arasındaki geçişi ifade etmektedir. Şekil 8: Kodlama örneği 6. Örnek bir sistem üzerinde simülasyon Oluşturulan OPA modellerinin çalışmasını test etmek amacıyla SCADA arayüzü ve C programlama dili kullanılarak aşağıda görülen simülasyon sahası oluşturulmuştur. Şekil 10: PLC ile kontrol edilen simülasyondan bir görünüm
Şekil 11: Tanzim kontrol ve jeton hareket takip ara yüzü Teşekkür : Bu çalışma TÜBİTAK 108G186 numaralı Ulusal Demiryolu Sinyalizasyon Projesi tarafından desteklenmektedir. [10] M. Uzam and A. H. Jones, Design of Sequential Control Systems in Statement Lists Using TPL: Part II An Application, Proceedings of 2nd Portuguese Control Conference Controlo 96, September 11-13,Porto, Portugal, 1996. [11] M. Uzam and A. H. Jones, Real-Time Implementation of Petri Net Controllers Using Programmable Logic Controllers, 4th IFAC Workshop on Algorithms and Architectures for Real-Time Control AARTC 97, April 9-11, Vilmoura, Portugal, 1997 [12] M. S. Durmuş, M. T. Söylemez, "Railway Signalization and Interlocking Design via Automation Petri Nets", ASCC'09, The Seventh Asian Control Conference, 26-29 August, Hong Kong, 2009. [13] S. Saygın, İ. Yakın, M. S. Durmuş, M. T. Söylemez, "Petri Ağlarıyla Demiryolu Makas Bölgelerinin Anklaşman ve Sinyalizasyonu Tasarımı", TOK'09, Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, İstanbul, 2009. 8. Kaynakça [1] F. Diana, A. Giua, C. Seatzu, Safeness-Enforcing Supervisory Control for Railway Networks, 2001 IEEHASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics Proceedings 8-12 July 2001 Como, Italy [2] C.W. Janczura, Modelling and analysis of railway network control logic using coloured Petri nets, Ph.D. Thesis, Universityof South Australia, Augus998 [3] C. G. Cassandras and S. Lafortune, Introduction to Discrete Event Systems, Kluwer Academic Publishers, 1999. [4] C. A. Petri, Kommunikation mit Automaten Schriften des Rheinisch, Westfalischen Inst. fur Instrumentelle Mathematik und der Universitat Bonn, English Translation: C.F. Green, Applied Data Research Inc., Suppl. 1 to Tech report RADC-TR-65-337, NY, 1962. [5] T. Murata, Petri Nets: Properties, Analysis and Applications, Proc. of IEEE, vol. 77, no. 4, pp. 541-580, 1989. [6] M. Uzam and A. H. Jones, Discrete Event Control System Design Using Automation Petri Nets and Their Ladder Diagram Implementation, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 14, no. 10, pp. 716-728, 1998. [7] A. H. Jones, M. Uzam, A. H. Khan, D. Karımzadgan and S. B.Kenway, A General Methodology for Converting Petri Nets intoladder Logic: The TPLL Methodology, Proc. of the 5th Int.Conference on Computer Integrated Manufacturing and Automation Technology CIMAT 96, pp. 357-362, 1996. [8] M. Uzam and A. H. Jones, Conversion of Petri Net Controllers formanufacturing Systems into Ladder Logic Diagrams, Proc. of theieee Conf. on Emerging Technologies and Factory Automation, ETFA 96, vol. 2, pp. 649-655, 1996. [9] M. Uzam and A. H. Jones, Design of Sequential Control Systems in Statement Lists Using TPL: Part I Token Passing Statement List Methodology, Proceedings of 2nd Portuguese Control Conference Controlo 96, September 11-13,Porto, Portugal, 1996.