Sistema electrónico de enclavamiento para cambios de vía ...laboratorios.fi.uba.ar/lse/tesis/LSE-FIUBA-Trabajo-Final-CESE-Martin... · plicando enormes gastos en dólares y la dependencia

UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES

FACULTAD DE INGENIERÍA

CARRERA DE ESPECIALIZACIÓN EN SISTEMAS

EMBEBIDOS

MEMORIA DEL TRABAJO FINAL

Sistema electrónico de enclavamientopara cambios de vía ferroviarios

Autor:Ing. Martín Nicolás Menéndez

Director:Dr. Ing. Ariel Lutenberg (FIUBA, CONICET)

Codirector:Mg. Ing. Facundo Larosa (UTN-FRH, FIUBA)

Jurados:Mg. Ing. Nicolás Dassieu Blanchet (FIUBA)

Esp. Ing. Pedro Martos (FIUBA)Ing. Nicolás Álvarez (UNSAM, FIUBA)

Este trabajo fue realizado en las Ciudad Autónoma de Buenos Aires, entre Marzode 2018 y Diciembre de 2018.

III

Resumen

En esta memoria se presenta el diseño e implementación de un sistema deenclavamiento ferroviario para la estación Belgrano R según los requerimientosestablecidos por Trenes Argentinos. El sistema garantiza que los cambios de vías

y señalamientos constituyan una configuración segura, de modo tal de evitarchoques de trenes.

Para el desarrollo de este trabajo se aplicaron conocimientos en lenguajes dedescripción de hardware para la implementación sobre lógica programable.

Además, se trabajó el firmware bajo control de versiones y se aplicó el modelode máquinas de estados finitos para la lógica del sistema y estrategias de testingpara validar los módulos. Finalmente, fueron fundamentales los conocimientosde sistemas críticos y ferroviarios, adquiridos durante el cursado de asignaturas

del posgrado.

V

Agradecimientos

Quisiera agradecer a mi familia que siempre me han apoyado a lo largo de todosmis estudios de forma incondicional. Espero que se sientan tan orgullosos de losresultados como yo de haber puesto tanto esfuerzo en la realización de mi carrera.

A mi Director el Dr. Ing. Ariel Lutenberg, que con una enorme paciencia siempreme ha dado incontables oportunidades para demostrar mi capacidad. Sus inago-tables ganas de que el país crezca tecnológicamente son muy inspiradoras y losproyectos en los que me ha confiado la participación me enriquecen enormemen-te.

A mi Codirector, el Mg. Ing. Facundo Larosa, que disipó muchas de mis dudas ysupo ser flexible en éste proyecto desde el comienzo cuando la meta no era tanclara. Sé que el año próximo podremos lograr grandes cosas juntos y el resultadoserá satisfactorio por demás.

Al CONICET-GICSAFe por su gran camaradería y solidaridad a la hora de com-partir sus saberes, tanto de la profesión como de la vida diaria. Especialmenteal Dr. Ing. Pablo Gomez y al Ing. Adrián Laiuppa, ya que conversando con ellosfuera del trabajo diario he aprendido enormemente.

VII

Índice general

Resumen III

1. Introducción General 11.1. Contexto y motivación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Elementos del sistema ferroviario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2.1. Vías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2.2. Semáforos ferroviarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.3. Circuito de vías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.4. Pasos a nivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.5. Máquina de cambios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3. Sistema de enclavamientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.4. Tipos de enclavamientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.4.1. Enclavamientos mecánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.4.2. Enclavamientos electromecánicos . . . . . . . . . . . . . . . 91.4.3. Enclavamientos electrónicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.5. Tabla de enclavamientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.6. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2. Introducción específica 152.1. Estación Belgrano R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2. Modos de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.1. Modo semiautomático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2.2. Modo automático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.2.3. Cambio de modos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3. Diseño e Implementación 213.1. Tecnología de implementación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.1.1. FPGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.1.2. Máquinas de estado finito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.2. Modelado de elementos ferroviarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.2.1. Módulo de circuitos de vía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.2.2. Módulo de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2.3. Módulo de señales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2.4. Módulo de pasos a nivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2.5. Módulo de máquina de cambios . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.3. Implementación del sistema de enclavamientos de laestación Belgrano R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.3.1. Implementación de circuitos de vía . . . . . . . . . . . . . . 263.3.2. Implementación de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . 273.3.3. Implementación de pasos a nivel . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Comportamiento en modo semiautomático . . . . . . . . . . 28Comportamiento en modo automático . . . . . . . . . . . . . 29

3.3.4. Implementación de máquina de cambios . . . . . . . . . . . 31

VIII

3.3.5. Implementación de semáforos . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Comportamiento en modo semiautomático . . . . . . . . . . 32Comportamiento en modo automático . . . . . . . . . . . . . 33

3.3.6. Resumen de registros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.3.7. Resumen general del sistema de enclavamiento . . . . . . . 34

4. Ensayos y resultados 374.1. Validación de las habilitaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.1.1. Testbench de habilitaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.1.2. Resultados obtenidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.2. Validación del modo semiautomático . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.2.1. Testbench de modo semiautomático . . . . . . . . . . . . . . 414.2.2. Resultados obtenidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.3. Validación modo automático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.3.1. Testbench de modo automático . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.3.2. Resultados obtenidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.4. Validación del cambio de modo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.4.1. Testbench de cambio de modo . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.4.2. Resultados obtenidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5. Conclusiones 555.1. Resultados obtenidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.2. Próximos pasos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Bibliografía 59

IX

Índice de figuras

1.1. Tramo de vía ferroviaria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2. (a) Semáforo de 3 aspectos (b) Semáforo doble de 3 aspectos (Esta-

ción Olivos). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3. (a) Semáforo de 2 aspectos (b) Semáforos de cruce de vías (Estación

Lavallol). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.4. Estado de los aspectos ferroviarios según la ubicación del tren. . . . 51.5. Barrera en estado bajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.6. Barrera en estado alto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.7. Máquina de cambios de Lavallol (Línea Roca). . . . . . . . . . . . . 61.8. Cambio de vías de estación Matheu (Línea Mitre). . . . . . . . . . . 71.9. Vía simple con bypass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.10. Sistema mecánico de enclavamiento en la antigua estación de Chas-

comús, hoy convertida en museo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.11. Bastidor de relés de estación Lavallol. . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.12. Panel de control enclavamientos - Central Lavallol. . . . . . . . . . 101.13. (a) Redundancia 2 de 2. (b) Redundancia por votación 2 de 3. . . . . 101.14. Tabla de enclavamientos mecánicos (Matheu-Mitre). . . . . . . . . . 111.15. Esquema de ejemplo en el que las señales no se han asignado. . . . 111.16. Esquema de ejemplo en el que las señales se han asignado. . . . . . 12

2.1. Planos originales de Belgrano R. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2. Layout de Belgrano R. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.3. Maniobra de ruta descendente a ruta ascendente. . . . . . . . . . . . 172.4. Doble recubrimiento a peligro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.1. Máquina de estado finito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.2. Ocupación de vía, semáforos y máquina de estado . . . . . . . . . . 233.3. (a) Convención de valores para aspectos (b) Máquina de estados

de semáforos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.4. (a) Convención de valores para barreras (b) Máquina de estados de

barreras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.5. (a) Convención de valores para máquina de cambios (b) Máquina

de estados de máquina de cambios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.6. Pasos a nivel en modo semiautomático . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.7. Pasos a nivel en modo automático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.8. Semáforos en modo automático con ocupación simple . . . . . . . . 333.9. Semáforos en modo automático con ’tren a caballo’ . . . . . . . . . 343.10. Diagrama general del sistema de enclavamiento . . . . . . . . . . . 35

4.1. Habilitación de rutas 6 y 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.2. Indicación de ascendente vacío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.3. Permisos para realizar cambio de vías . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.4. Ruta 9 - Semáforos ascendentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

X

4.5. Ruta 9 - Semáforos descendentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.6. Ruta 9 - Pasos a nivel y máquina de cambios . . . . . . . . . . . . . 454.7. Ruta 10 - Pasos a nivel, máquina de cambios y semáforos de maniobra 454.8. Semáforos en ausencia de rutas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.9. Ocupación de circuitos de vías ascendentes . . . . . . . . . . . . . . 484.10. Ocupación del circuito de vía 5+7 - Semáforos . . . . . . . . . . . . 484.11. Secuencia de ocupación - Pasos a nivel . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.12. Máquina de cambios y señalamiento de maniobra . . . . . . . . . . 494.13. Cambio de modo semiautomático a automático y señalamiento . . 524.14. Cambio de modo automático a semiautomático y señalamiento . . 524.15. Ruta 10 - Cambio de vías y señalamiento de maniobra . . . . . . . . 53

XI

Índice de Tablas

1.1. Modelo de Tabla de enclavamientos semiautomáticos . . . . . . . . 13

2.1. Tabla de enclavamientos semiautomáticos . . . . . . . . . . . . . . . 182.2. Modelo de tabla de enclavamientos automáticos . . . . . . . . . . . 192.3. Tabla de enclavamientos automáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.4. Condiciones de cambio de modo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.1. Tecnologias FPGA disponibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.2. Modos de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

XIII

”Él hará la unidad de la República mejor que todos losCongresos. Estos podrán declararla una e indivisible perosin el camino de fierro que acerque sus extremos remotos,

quedará siempre divisible y dividida contra todos losDecretos Legislativos.”

Juan Bautista Alberdi (1810-1884).

1

Capítulo 1

Introducción General

En este capítulo se presentan el contexto del proyecto, los sistemas ferroviarios,una introducción a las distintas tecnologías de los sistemas de enclavamientos ylos objetivos a cumplir.

1.1. Contexto y motivación

En Argentina cada día tres millones de personas viajan en tren o subte y el 5%del PBI se moviliza por ferrocarril[1]. Sin embargo, todos los sistemas electrónicospara la seguridad vial de trenes y subtes son importados y muy costosos.

Así, en muchos ferrocarriles, no hay sistemas de seguridad para pasajeros, con-ductores, peatones y automovilistas. En otras líneas se siguen usando tecnologíasde hace más de 50 años, que en los países con alto desarrollo tecnológico han sidoreemplazadas hace mucho tiempo[2].

Esta situación ha favorecido que ocurran importantes accidentes [3] y ha urgidoal estado a adquirir en el exterior trenes y sistemas de seguridad ferroviaria, im-plicando enormes gastos en dólares y la dependencia de tecnología extranjera[4].

Los accidentes implican pérdidas de vidas humanas y/o pérdidas económicassignificativas. Incluso, cuando los sistemas no son fiables, las formaciones amino-ran la marcha en las inmediaciones de un cambio de vía, aumentando el tiempode tránsito y encareciendo la logística.

En los sistemas críticos una falla puede poner en peligro cientos de vidas huma-nas y/o costosas inversiones. Por lo tanto se deben cumplir estrictos parámetrosde fiabilidad, disponibilidad, mantenibilidad y seguridad (RAMS, del inglés Re-liability, Availability, Mantenibility and Safety), durante todo el ciclo de vida.

Desde 2004 la comunidad europea ha establecido normas ferroviarias relaciona-das con los parámetros RAMS, haciendo especial hincapié en la seguridad. Eneste sentido, las tres normas principales son EN-50126[5] (ciclo de vida), EN-50128[6] (técnicas de software) y EN-50129[7] (técnicas de hardware). Entre otrascuestiones, se busca asegurar la integridad de la seguridad.

En este contexto en 2015 se crea el CONICET-GICSAFe, cuyas siglas correspon-den a Grupo de Investigación y Control para la Seguridad y Aplicaciones Ferro-viarias, conformado por docentes e investigadores de una decena de universida-des e instituciones públicas argentinas[8]. El grupo desarrolla sistemas electróni-cos e informáticos para aplicaciones ferroviarias relacionadas con la seguridad,

Página 2 de 59 Capítulo 1. Introducción General

generando un prototipo funcional y la documentación correspondiente que lue-go se transfiere en su totalidad a los clientes. En particular, esta metodología seutiliza en este trabajo con Trenes Argentinos, que es la Sociedad del Estado queopera las líneas Roca, Sarmiento, Mitre, San Martin y Belgrano Sur, entre otras.Luego el cliente puede fabricar el sistema diseñado por el GICSAFe o licitar sufabricación, así como modificar el sistema de acuerdo con sus necesidades.

Durante el mes de julio del presente año se tuvieron reuniones con diferentesfuncionarios y profesionales de Trenes Argentinos. En particular los encuentrosse desarrollaron con la Gerencia de Ingeniería, Gerencia de Seguridad Operacio-nal, Subgerencia de Desarrollo y Normas Técnicas, Subgerencia de Transporte,Gerencia de Señalamiento, entre otros, de los cuales surgió el interés en el desa-rrollo del presente proyecto.

Un sistema de enclavamiento como el que se aborda en este trabajo puede costarentre 5 y 10 millones de dólares[9] y se requieren varias decenas de estos sistemassólo para la zona urbana de la Ciudad Autónoma de Buenos Aires.

El desarrollo del sistema que se aborda en este trabajo se estima que podrá sercompletado en el transcurso de dos años. La primera parte corresponde al alcanceque se presenta en esta memoria, mientras que la segunda parte será realizadacomo trabajo final de la Maestría en Sistemas Embebidos.

En una primera instancia el CONICET-GICSAFe se familiarizó con el funciona-miento del sistema de enclavamiento: sus componentes (circuitos de vía, señalesabsolutas, señales de maniobra, pasos a nivel, entre otros), estructura, funciona-miento y operación. Para esto, se visitaron las islas de enclavamiento de las esta-ciones ’Lavallol’ (FFCC Gral. Roca), ’Retiro’ (FFCC Gral. San Martín) y ’Matheu’(FFCC Gral. Mitre) para ampliar los conocimientos con vistas a encarar el proyec-to. De dichas visitas y otras posteriores se obtienen la totalidad de las fotografíasincluidas en esta memoria.

Posteriormente, en el mes de octubre, se ofreció como caso de aplicación trabajarinmediatamente sobre la isla de señalización “Belgrano R” dada las necesidadesconcretas de Trenes Argentinos en esa estación, debido a su estratégica posicióngeográfica, que es muy conveniente para hacer servicios cortos entre Retiro yBelgrano R y entre Belgrano R y José León Suárez, dadas las tareas de reacon-dicionamiento que se realizarán en breve en Retiro.

1.2. Elementos del sistema ferroviario

Se denomina señalamiento ferroviario al sistema cuya función es evitar las coli-siones entre trenes. A continuación se presentan distintos elementos del señala-miento ferroviario que fueron utilizados durante este trabajo.

1.2.1. Vías

En la Figura 1.1 se visualiza un tramo de vía ferroviaria. Las vías se separan entramos y por seguridad se establece que cada tramo de vías puede contener solouna formación por vez. Estos tramos en zonas urbanas tienen una extensión típicade entre 500 y 1000 metros.

1.2. Elementos del sistema ferroviario Página 3 de 59

FIGURA 1.1: Tramo de vía ferroviaria.

Las vías pueden ser ascendentes o descendentes. Las ascendentes son aquellaspor las que los trenes circulan únicamente en la dirección del kilometraje en sen-tido creciente. Las descendentes son aquellas por la que los trenes circulan úni-camente en la dirección del kilometraje en sentido decreciente[10]. Usualmente elkilómetro 0 es la estación principal de la línea ferroviaria, como por ejemplo: Pla-za Constitución (para la línea Roca), Once de septiembre (para la línea Sarmiento)o Retiro (para las líneas Mitre y San Martín).

También existen vías simples, banalizadas o de maniobra en las que los trenespueden circular en ambas direcciones. En este trabajo no se abordarán este tipode vías, salvo por un pequeño tramo de unos 30 metros en los que se produce elcambio de vía, lo que permite a los trenes pasar de la vía ascendente a la descen-dente o viceversa.

1.2.2. Semáforos ferroviarios

Los semáforos ferroviarios poseen varias luces, que al encenderse configuran di-versos aspectos, cada uno de los cuales posee diferente significado.

La función principal de los semáforos es indicar al conductor ferroviario el tipode marcha que debe adoptar en el tramo de vía en el que va a ingresar.

A diferencia de los semáforos viales que funcionan con un temporizador, los se-máforos ferroviarios cambian su estado en función de la ausencia o presencia deformaciones ferroviarias ocupando vías cercanas, o por la petición de rutas porparte de un operador autorizado.

En la Figura 1.2 se presenta un esquema de señales de tres aspectos, que es el tipode semáforo que se utiliza en la Línea Mitre, de la cual forma parte la estaciónBelgrano R que se aborda en este trabajo.


FIGURA 1.2: (a) Semáforo de 3 aspectos(b) Semáforo doble de 3 aspectos (Estación Olivos).

Los semáforos de dos aspectos, como el que se se visualiza en la Figura 1.3, seutilizan en cambios de vías donde por su peligrosidad no se podría permitir unaspecto verde que habilite una velocidad alta.

FIGURA 1.3: (a) Semáforo de 2 aspectos(b) Semáforos de cruce de vías (Estación Lavallol).

Los semáforos de cuatro aspectos son utilizados en la Línea Roca y poseen undoble amarillo antes del amarillo simple, para permitir así tramos de vías mascortos en forma segura. Como no son objeto de estudio del presente trabajo, noserán explicados en esta memoria.

1.2. Elementos del sistema ferroviario Página 5 de 59

1.2.3. Circuito de vías

Un circuito de vía es un sistema eléctrico que determina si un tramo de la vía seencuentra ocupado o libre.

Si el tramo de vía no tiene ninguna formación ocupándolo, el señalamiento indi-cará un aspecto verde o amarillo según el estado de ocupación del tramo siguien-te, como se ilustra en la Figura 1.4.

Si la formación ocupa la sección, el señalamiento cambiará su aspecto a rojo paraindicar que no puede ingresar ninguna otra formación, a fin de evitar colisiones.Por seguridad también se establecerá a rojo el semáforo anterior y a amarillo elanterior a éste (doble recubrimiento).

FIGURA 1.4: Estado de los aspectos ferroviarios según la ubicacióndel tren.

El sistema ferroviario sigue el principio de falla segura1. Es decir, si por algunarazón algo falla, el sistema adopta la condición mas restrictiva, mitigando la po-sibilidad de una situación peligrosa. Si la alimentación se corta o si el cableadosufre alguna falla, entonces el sistema asumirá que hay un tren y los semáforosse pondrán a rojo para que las formaciones cercanas detengan su marcha y lasbarreras de los pasos a nivel desciendan.

1.2.4. Pasos a nivel

Un paso a nivel es una intersección entre una vía férrea y una calle o ruta peatonal.

En ausencia de trenes, el sistema de control de la barrera del paso a nivel mantieneel brazo en alto para permitir la circulación de peatones y automóviles. Cuandoun tren ocupa la vía se acciona la campana, se desenergiza la barrera y comienzaa descender el brazo por efecto de la gravedad (Figura 1.5).

FIGURA 1.5: Barrera en estado bajo.

1fail-safe: Falla segura


Solo cuando la barrera baja, el tren tiene permitido avanzar sobre el cruce, siendoel paso a nivel un sector de altísimo riesgo.

Al desocuparse las vías posteriores al paso a nivel, la barrera vuelve a energizarsey se sitúa en estado alto nuevamente (Figura 1.6), a la espera de otro tren parareiniciar el proceso descripto.

FIGURA 1.6: Barrera en estado alto.

Se debe destacar que el mismo proceso de descenso de la barrera ocurrirá si lamisma se desenergiza por una falla eléctrica y/o pérdida de alimentación. Es de-cir, el sistema asumirá el estado mas seguro ante cualquiera de los mencionadosfallos, siguiendo el principio de falla segura.

Si el paso a nivel es peatonal no posee una barrera, pero si un laberinto y unacampanilla para alertar la presencia de un tren acercándose.

1.2.5. Máquina de cambios

Una máquina de cambios (Figura 1.7) posibilita el uso de rutas alternativas a laruta principal para diversificar los itinerarios o ante cualquier incidente, permi-tiendo el paso de las formaciones de una vía a otro. Consiste en un mecanismoque mueve la aguja del cambio (riel móvil) hacia su respectiva contraaguja (rielfijo) hasta obtener un adecuado acoplamiento que permita la circulación de laformación.

FIGURA 1.7: Máquina de cambios de Lavallol (Línea Roca).

1.3. Sistema de enclavamientos Página 7 de 59

En la Figura 1.8 se muestra el cambio de vía de la estación Matheu de la LíneaMitre. Se observa que según sea la posición del cambio el tren puede continuaren la misma vía o hacer el cambio a la otra vía.

FIGURA 1.8: Cambio de vías de estación Matheu (Línea Mitre).

1.3. Sistema de enclavamientos

En la Figura 1.9 se presenta, a modo de ejemplo, un sistema de cambios en unavía simple con bypass. El mismo permite que una formación que transita hacia laestación B y una formación que lo hace hacia la estación A puedan cruzarse.

FIGURA 1.9: Vía simple con bypass

Este cruce mediante el uso del bypass requiere un control seguro para evitar co-lisiones entre los trenes. Por ejemplo, si se aplica una configuración de las má-quinas de cambios tal que dos formaciones en sentido opuesto sean conducidasambas al bypass o sean conducidas ambas a la vía principal, entonces podría pro-ducirse una colisión entre los trenes. El sistema de enclavamiento impide que seproduzcan estas configuraciones no seguras y controla los semáforos que habili-tan o no los itinerarios de las formaciones.

Una falla en un enclavamiento puede ocasionar que se produzcan configuracio-nes no seguras y poner en peligro cientos de vidas humanas y generar costos


considerables. Por lo tanto, en el diseño del sistema de enclavamiento se debencumplir estrictos parámetros de fiabilidad, disponibilidad, mantenibilidad y se-guridad (RAMS).

En Argentina la mayoría de los enclavamientos son mecánicos y tienen entre 40y 100 años de antigüedad por lo que en muchos casos se ha agotado su vidaútil y deben ser reemplazados. Otros en cambio, han estado en desuso por añosy se necesita su reposición. Un ejemplo de esto es la ruta ferroviaria a la zonade Vaca Muerta, donde se requiere instalar sistemas de enclavamiento por cifrasmillonarias en dólares. Por esto, es importante contar con sistemas electrónicosde diseño y fabricación nacional.

Adicionalmente, existen diferentes lugares donde aún resta instalar este tipo desistemas, por lo que su implementación constituye una necesidad real para eldesarrollo de la infraestructura ferroviaria de señalamiento en Argentina.

1.4. Tipos de enclavamientos

A continuación se presentan distintas tecnologías de implementación de enclava-mientos.

1.4.1. Enclavamientos mecánicos

A comienzos del siglo XX se implementaron los sistemas de enclavamientos me-diante soluciones mecánicas. Utilizaban palancas como las que se visualizan enla Figura 1.10 para comandar los cambios de vías y semáforos.

FIGURA 1.10: Sistema mecánico de enclavamiento en la antiguaestación de Chascomús, hoy convertida en museo.

Una vez que se constituye una configuración de posiciones de palancas que ha-bilitan un trayecto, las mismas quedan ’enclavadas’ mecánicamente. Es decir, laposición de las mismas se bloquea y no es físicamente posible cambiarla. A su

1.4. Tipos de enclavamientos Página 9 de 59

vez a medida que se van moviendo ciertas palancas las demás palancas que pu-dieran representar situaciones no seguras quedan enclavadas, y sólo se puedenmover aquellas cuyo accionamiento representa una situación segura. De esa ma-nera se garantiza que no se generarán configuraciones tales que las formacionescolisionen entre sí.

Las tecnologías mas modernas heredaron el término ’enclavamiento’, aún cuandoya no se tengan palancas enclavadas en posiciones fijas.

1.4.2. Enclavamientos electromecánicos

A mediados de siglo XX se desarrolló el sistema de enclavamiento electromecá-nico. Su funcionamiento se basa en relés (Figura 1.11) y circuitos de vía, de formatal de poder detectar la presencia de un tren y comandar tanto las señales comolas barreras de los pasos a nivel.

Se visitó un sistema de enclavamientos en la estación Lavallol (Línea Roca). Lamisma es una sala refrigerada, de gran tamaño, con varios bastidores que contie-nen cientos de relés. La Figura 1.11 corresponde al enclavamiento electromecáni-co de Lavallol.

FIGURA 1.11: Bastidor de relés de estación Lavallol.


Los sistemas de enclavamiento electromecánicos son comandados por un opera-rio mediante un panel de control (Figura 1.12). El operario solicita al sistema deenclavamiento las rutas que el conductor ferroviario necesita para circular. El sis-tema permitirá solo la operación de cambio de vías seguras. En caso contrario, setendrán las salidas ’enclavadas’ y el sistema de enclavamiento impedirá median-te los semáforos el avance de la formación hasta que pueda realizarse el cambioen forma segura.

FIGURA 1.12: Panel de control enclavamientos - Central Lavallol.

1.4.3. Enclavamientos electrónicos

El sistema de enclavamiento moderno es electrónico y debe incluir redundanciade hardware para lograr niveles RAMS adecuados. Pueden utilizarse, por ejem-plo, estrategias de 2 en 2 como en la Figura 1.13 (a) o sistemas de votación 2 de3 como se ve en la Figura 1.13 (b) para tener siempre una salida sin importar losfallos que puedan producirse[11]. La diversidad de plataformas de hardware, porejemplo utilizando diferentes proveedores de un mismo sistema o plataforma, esotra técnica muy utilizada.

FIGURA 1.13: (a) Redundancia 2 de 2. (b) Redundancia por vota-ción 2 de 3.

En este trabajo se implementó un sistema de enclavamiento electrónico, como seexplicará en el Capítulo 3.

1.5. Tabla de enclavamientos Página 11 de 59

1.5. Tabla de enclavamientos

La forma de diseñar y presentar los enclavamientos es mediante tablas de encla-vamiento. La Figura 1.14 presenta la tabla correspondiente a la estación Matheude la Línea Mitre.

FIGURA 1.14: Tabla de enclavamientos mecánicos (Matheu-Mitre).

La tabla define en que posiciones se enclavan las palancas de la segunda columna,respecto de las condiciones de la columna ’normal’ e ’invertida’.

Por ejemplo, en el caso de la palanca 1, que corresponde a la señal de distancia 2y 3, si las palancas 2 y 3 se encuentran en posición invertida, entonces la palanca1 se enclavará en invertida sin posibilidad de pasarla a normal hasta que las otrasdos palancas reviertan su estado.

En este trabajo se utiliza una forma alternativa de representar las tablas de en-clavamiento, que se introduce a continuación, mediante un ejemplo en base a laFigura 1.15.

FIGURA 1.15: Esquema de ejemplo en el que las señales no se hanasignado.


Se supone una topología de vías dobles con un cambio de vías entre ambas pararealizar maniobras, dos pasos peatonales con campanilla (paso a nivel 1 y 3) y unpaso a nivel vehicular con barrera automática (paso a nivel 2).

Además se presentan los semáforos de tres aspectos correspondientemente nu-merados de forma creciente en el sentido de circulación marcado para cada tra-yecto (impares para la vía ascendente y pares de la descendente). Se ilustran ade-más, los semáforos de dos aspectos (10 y 11) para las maniobras de cambio devías.

Para comenzar el razonamiento, todo el señalamiento se muestra apagado (gris)ya que se busca determinar en qué aspecto debe estar cada señal. Supóngase queuna formación ocupa el circuito de vía 8, detenido antes del semáforo 6 y se dis-pone a completar el trayecto descendente hacia la sección 6 de la vía.

Ya que la formación usará la vía principal, los semáforos 10 y 11 correspondientesal cambio de vías también estarán a rojo, al igual que los semáforos 2 y 8 que noinvolucran a la ruta a solicitar. La ruta en cuestión se definirá entre los semáforos6 (inicial) y el 4 (final). Para comenzar el trayecto la formación necesita permisopara acceder a los tramos de vías siguientes, para lo cual el semáforo 6 deberáestar en aspecto verde. Para finalizar el trayecto se necesita que el semáforo 4se encuentre en rojo. Por seguridad se pusieron a rojo el semáforo 8 (para evi-tar colisiones de formaciones que vengan antes de la formación de ejemplo) y elsemáforo 2 (por si la formación no llega a frenar ante el semáforo 4).

El paso a nivel número 3 debería estar a peligro desde que la formación ocupo elcircuito de vía 10, el número 2 debería tener su barrera baja por la misma razón yel número 1 estará a peligro tan pronto la formación ocupe el circuito de vía 6b.Por lo tanto los tres pasos a nivel se encuentran a peligro y no deberán permitirel cruce ni de vehículos ni de peatones mientras la ruta esté en ejecución. Du-rante todo el trayecto también se deberá garantizar que la máquina de cambiosse encuentre en posición ’normal’. De esta forma se tiene la configuración que semuestra en la Figura 1.16.

FIGURA 1.16: Esquema de ejemplo en el que las señales se hanasignado.

La Tabla 1.1 representa la situación descripta, siendo:

O: Circuito de vía que debe permanecer libre.

1.6. Objetivos Página 13 de 59

TABLA 1.1: Modelo de Tabla de enclavamientos semiautomáticos

Circuitos de vía (DES) Semáforos ASC Semáforos DES Cambio M PaNRutas 2 4 6a 6b 8 10 1 3 5 7 9 2 4 6 8 10 11 - 1 2 3

Ruta O O O O X O R R R R R R R V R R R N B B B

X: Circuito de vía que se encuentra ocupado por una formación.

R: Semáforo rojo.

A: Semáforo amarillo.

V: Semáforo verde.

-: Don’t care, no es relevante.

N: Máquina de cambios en posición normal.

R: Máquina de cambios en posición reversa.

A: Barrera alta.

B: Barrera baja.

Repitiendo el razonamiento se pueden generar las demás filas de la tabla paracualquier ruta entre dos semáforos. Solo se puede tener un tren en cada vía a lavez: uno para la vía ascendente y otro para la vía descendente.

1.6. Objetivos

El objetivo de este proyecto es el diseño, implementación y realización de pruebasfuncionales de un prototipo de sistema electrónico de enclavamiento, sobre un kitde desarrollo de FPGA.

Se procura además estudiar las tecnologías para implementar metodologías orien-tadas a mejorar los niveles RAMS del sistema, de acuerdo al estado del arte ensistemas ferroviarios altamente críticos.

15

Capítulo 2

Introducción específica

En este capítulo se presenta el caso de aplicación de la estación Belgrano R dondese implementará el sistema de enclavamiento. Además se presenta una descrip-ción del layout diseñado para la estación y los modos de funcionamiento que sederivan de las tablas de enclavamientos obtenidas para satisfacer las funcionali-dades pedidas.

2.1. Estación Belgrano R

La estación Belgrano R (Figura 2.1) pertenece a la Línea Mitre. Se encuentra en laCiudad Autónoma de Buenos Aires entre las estaciones Colegiales y Coghlan.

FIGURA 2.1: Planos originales de Belgrano R.

La estación Belgrano R posee actualmente dos circuitos de vías (indicados como Ay B en la Figura 2.1), ocho semáforos, dos pasos peatonales (Pampa y Juramento),un paso vehicular de activación manual (Echeverría) y un cambio de vías conenclavamiento mecánico. Cabe notar que el paso de la calle Melián no perteneceal sistema de Belgrano R.

Se diseñó el layout de la Figura 2.2 para poder realizar pruebas en un entorno deestudio y poner en práctica los diversos conceptos adquiridos. Este layout es elmismo que se presentó en las Figuras 1.15 y 1.16. Procurando así que el lector sefamiliarice lo antes posibles con el mismo.

Página 16 de 59 Capítulo 2. Introducción específica

FIGURA 2.2: Layout de Belgrano R.

Para implementar el enclavamiento electrónico se determinó que sería necesariocontar con los siguientes elementos:

Circuitos de vía: doce en total, seis por cada sentido de circulación.

Vía ascendente: cinco semáforos de tres aspectos, numeración impar.

Vía descendente: cuatro semáforos de tres aspectos, numeración par.

Cruce de vías: dos semáforos de dos aspectos (número 10 y 11).

Para tener un mayor grado de certeza de la ubicación de las formaciones y poderautomatizar así el sistema de enclavamientos con un riesgo tolerable, se decidiópasar de dos circuitos de vías a doce, seis para cada sentido de circulación.

Los pasos a nivel se mantienen en cantidad pero se añaden las siguientes funcio-nalidades:

Pampa y Juramento (peatonales): manejo de la campanilla de forma auto-mática.

Echeverría (vehicular): automatización de la campanilla y el accionamientodel brazo de la barrera.

Todos los elementos añadidos al layout que no se encuentran en la estación ac-tualmente fueron sugeridos a Trenes Argentinos y aceptados para ser instaladostan pronto el sistema esté finalizado.

Además se han enumerado los circuitos de vías de acuerdo a la normativa vigente[10], con valores impares para las rutas ascendentes y pares para las descenden-tes. De la misma forma con los semáforos. El largo de los circuitos de vías serádefinido por Trenes Argentinos en función de los detalles de campo.

2.2. Modos de funcionamiento

Existen dos formas de comandar a las formaciones utilizando el sistema de encla-vamientos:

2.2. Modos de funcionamiento Página 17 de 59

Modo semiautomático: solicitando rutas de semáforo a semáforo, que de-berán ser aprobadas por el sistema.

Modo automático: permitiendo la libre circulación de formaciones que asu paso irán dejando una estela de semáforos a peligro y de advertencia aformaciones que vengan detrás.

Es importante remarcar que los cambios de vía sólo pueden ser utilizados en elmodo semiautomático.

2.2.1. Modo semiautomático

En el modo semiautomático (explicado en la sección 1.5) el operario debe solicitarrutas de a una por vez para cada sentido de circulación. Pueden aprobarse ensimultáneo hasta una ruta ascendente y una descendente. Mientras no se tenganrutas habilitadas, los semáforos tendrán un aspecto rojo.

Los cambios de vías permitidos son dos, de la vía ascendente a la descendente yviceversa. Se procede a enunciar los pasos para efectuar una de las dos maniobras.

Procedimiento para cambiar de vía ascendente a descendente (Figura 2.3):

La formación en sentido descendente debe detenerse en el semáforo 6.

Deben cumplirse las condiciones de vía libre indicadas en la Tabla 2.1.

La máquina de cambio debe ponerse en reversa.

El brazo de la barrera del paso a nivel vehicular debe bajar.

La formación debe transitar del semáforo 11 al semáforo 9.

FIGURA 2.3: Maniobra de ruta descendente a ruta ascendente.

Realizar el cambio de vía requiere maniobras de gran peligrosidad, por lo que sedemanda que gran parte de los circuitos de vías se encuentren libres al momentode la operación.

Una vez que la formación solicita la ruta de cambio R11 la máquina de cambiospasa de posición normal a reversa y se habilita en amarillo la señal de dos aspec-tos del semáforo 10.


De esta forma se pueden realizar trayectos cortos entre Retiro y Belgrano R oentre cualquiera de las cabeceras (Zárate, José León Suárez, Bartolomé Mitre) yBelgrano R, en el hipotético caso de que algún tramo de la vía estuviese inutiliza-do por obras y/o accidentes.

Siguiendo el razonamiento de la sección 1.5 en base a la cual se obtuvo la Ta-bla 1.1, se diseñó una tabla de enclavamientos semiautomáticos para la estaciónBelgrano R (Tabla 2.1).

Las rutas pueden ser ascendentes (R1 a R5), descendentes (R6 a R9) o de cambiode vía(R10 y R11) y siempre se definen entre un semáforo inicial y uno final.

Las rutas ascendentes y descendentes pueden coexistir sin interferir entre sí, co-mo se puede ver en las columnas relativas a semáforos y circuitos de vías de latabla 2.1. En cambio las rutas 10 y 11 involucran circuitos de vías tanto ascenden-tes como descendentes.

TABLA 2.1: Tabla de enclavamientos semiautomáticos

Circuitos de vía Semáforos ASC Semáforos DES Cambio PaNRutas 1 2 3a 4 3b 6a 5 6b 7 8 9 10 1 3 5 7 9 2 4 6 8 10 11 M P E J

R0 - - - - - - - - - - - - R R R R R R R R R R R N A A AR1 O - O - O - - - - - - - V R R - - - - - - R - N A A AR2 X - O - O - O - - - - - R V R R - - - - - R - N B B AR3 O - O - X - O - O - - - R R V R R - - - - R - N B B BR4 - - O - O - X - O - O - N R R V R - - - - R - N A B BR5 - - - - O - O - X - O - V N R R V - - - - R - N B A AR6 - - - - - - - O - O - X - - - - - - R R V - R N A A BR7 - - - O - O - O - X - O - - - - - R R V R - R N B B BR8 - O - O - X - O - O - - - - - - - R V R R - R N B B AR9 - O - X - O - O - - - - - - - - - V R R N - R N B A AR10 - O - O - O O O X O - - N R R R R R R R R N R R B B BR11 - O - O - X O O O O O - N R R R R R R R R R N R B B B

Los estados de las barreras de los pasos a nivel y de la máquina de cambios serándeterminados por la conjunción de lo pedido por el operador para cada ruta in-volucrada por separado. Por ejemplo si la ruta ascendente es R5 y la descendentees la R6, la tabla indica que la primera requiere activar la campanilla de Pampay la segunda la campanilla de Juramento. La estrategia mas segura es accionarambas campanillas.

Por otro lado, la máquina de cambios siempre estará en modo normal para las ru-tas principales. Solamente si el operador ingresa las rutas para realizar un cambiode vía se procederá a cambiar la máquina a reversa.

2.2.2. Modo automático

El modo automático permite el flujo sin intervención humana de los trenes por lasvías ascendentes y descendentes simultáneamente. No obstante, no pueden reali-zarse cambios de vías en esta modalidad ya que la máquina de cambios siempredebe estar en posición normal y debe verificarse antes de pasar a este modo. Estamodalidad permite la presencia de más de una formación en cada sentido, maxi-mizando la frecuencia entre trenes.

En el caso del modo automático la construcción de la tabla es muy similar a laexplicada en la Sección 1.5 para el modo semiautomático, pero cambia el crite-rio para los semáforos. Por defecto, estos se encuentran en verde y cada tren que

2.2. Modos de funcionamiento Página 19 de 59

ocupa la vía genera hacia atrás una estela de protección denominada doble recu-brimiento[10] a peligro como puede verse en la Figura 2.4, como se explicó en laSección 1.2.3.

FIGURA 2.4: Doble recubrimiento a peligro

En esta modalidad no se pueden realizar cambios de vías, por lo que la máquinade cambios estará en posición ’normal’ y los semáforos de cambios 10 y 11 estaránen rojo. Además todos los pasos a nivel estarán a peligro menos el paso a nivelnúmero 1, que al estar alejado de la formación que sigue avanzando en sentidoascendente, dejará de sonar su campanilla.

La Tabla 2.2 presenta el ejemplo anterior pero para un sistema automático conuna formación ocupando el circuito de vía 4.

TABLA 2.2: Modelo de tabla de enclavamientos automáticos

Circuitos de vía (ASC) Semáforos ASC Semáforos DES Cambio M PaNCircuito de vía 1 3a 3b 5 7 9 1 3 5 7 9 2 4 6 8 10 11 1 2 3

C9 - - - O O X V V A R R V V V V R R N A B B

Los circuitos de vía 1, 3 y 5 figuran como don’t care porque quedan fuera del doblerecubrimiento y podrían ser ocupados por otra formación. Además el semáforopara acceder a dicho tramo se establece en verde, lo que permite el acceso.

Siguiendo el razonamiento en base a la cual se obtuvo la tabla 2.2, se diseñó unatabla de enclavamientos automáticos para la estación Belgrano R (Tabla 2.3).

TABLA 2.3: Tabla de enclavamientos automáticos

Circuitos de vía Semáforos ASC Semáforos DES Cambio PaNCircuito de vía 1 2 3a 4 3b 6a 5 6b 7 8 9 10 1 3 5 7 9 2 4 6 8 10 11 M P E J

C1 X - - - - - - - - - - - V V V V V - - - - R - N B A AC2 - X - O - O - - - - - - - - - - - R R N V - R N B A AC3 O - X - - - - - - - - - R V V V V - - - - R - N B B AC4 - - - X - O - O - - - - - - - - - V R R N - R N B B AC5 O - O - X - - - - - - - R R V V V - - - - R - N B B BC6 - - - - - X - O - O - - - - - - - V V R R - R N B B BC7 - - O - O - X - - - - - N R R V V - - - - R - N A B BC8 - - - - - - - X - O - O - - - - - V V R R - R N B B BC9 - - - - O - O - X - - - V N R R V - - - - R - N A A BC10 - - - - - - - - - X - O - - - - - V V V R - R N A B BC11 - - - - - - O - O - X - V V N R R - - - - R - N A A AC12 - - - - - - - - - - - X - - - - - V V V V - R N A A B

Los estados de las barreras ya no son la conjunción de las rutas ascendentes ydescendentes pedidas por el operador, sino una conjunción del estado solicitadopor todos los trenes que ocupen la vía en ese momento. Por ejemplo, si se ocupa lavía 1 (R2) y la vía 7 (R4) al mismo tiempo, la tabla indica que por acción del tren enla vía 1 la campanilla de Pampa debería sonar y la barrera de Echeverría deberíadescender (indicado en la tabla 2.3 como B B A). También indica que por accióndel tren en la vía 7 también debería sonar la campanilla de Juramento (indicadoen la tabla 2.3 como A B B). Por lo tanto los tres pasos a nivel estarán avisando almismo tiempo de la presencia de un tren (indicado en la tabla 2.3 como B B B).


Aún cuando no sea necesario comprobar que el tramo inmediatamente siguien-te al ocupado se encuentre libre, ya que si hubiese un tren mas adelante tendríasu doble recubrimiento a peligro, se ha incluido en la tabla para mayor seguri-dad. Esto minimiza la cantidad de señales a analizar y no requiere confirmaciónhumana durante el proceso.

2.2.3. Cambio de modos

El modo automático y el semiautomático presentan diferentes niveles de seguri-dad. Mientras que el modo semiautomático requiere comandos ejecutados por elseñalero, el modo automático no depende de la intervención humana. El pasajeentre el modo automático y el semiautomático no puede ser libre de control.

Por ende, debido a que el modo semiautomático es mucho mas conservador, te-niendo por defecto los semáforos en rojo y las barreras bajas, el cambio de modoautomático a semiautomático no requiere ninguna condición previa; ya que elautomático siempre tendrá el cambio a ’normal’.

En cambio el proceso inverso no es cierto. Se necesita pasar la máquina de cam-bios a ’normal’ y verificar que las vías se encuentran libres en su totalidad antesde pasar al modo automático que es mucho mas permisivo y por lo tanto no pue-de realizar cruces de vías.

Se presentan en la Tabla 3.2 un resumen de las condiciones de paso entre losmodos del sistema de enclavamiento, donde la primer columna es el modo desdela cual se inicia la maniobra y la primer fila es el modo final al que se busca llegar.

TABLA 2.4: Condiciones de cambio de modo

XXXXXXXXXXXOrigenDestino

Semiautomático Automático

Semiautomático - Máquina a normal y vías libresAutomático Sin condiciones -

21

Capítulo 3

Diseño e Implementación

En este capítulo se presenta la tecnología a utilizar en la implementación, el mo-delo computacional para describir al conjunto del sistema de enclavamientos ycada una de sus partes. Además se explican las diversas estrategias que se abor-daron para lograr la funcionalidad requerida.

3.1. Tecnología de implementación

3.1.1. FPGA

Una FPGA (del inglés Field-Programmable Gate Array o matriz de puertas progra-mables) es un dispositivo semiconductor conformado por bloques de lógica, cuyainterconexión y funcionalidad puede ser configurada luego de su fabricación me-diante un lenguaje de descripción de hardware.

Se propone implementar el sistema de enclavamiento electrónico basándose enlógica programable FPGA ya que esta tecnología posee las siguientes ventajas[12]:

Independencia tecnológica: la implementación puede independizarse de laplataforma de hardware a utilizar.

Escalabilidad: el diseño puede ampliarse para describir sistemas de mayorcomplejidad o prestaciones sin modificar el hardware construido, así comosus componentes pueden reutilizarse en futuros desarrollos.

Facilidad de ensayos: se pueden realizar pruebas automatizadas sobre elhardware para detectar fallas o no cumplimiento de las especificaciones.

Tolerancia a fallas: es posible mejorar la tolerancia a fallas del sistema agre-gando redundancia lógicas, mecanismos de votación, auto-tests, entre otros,teniendo además la flexibilidad de la descripción por hardware para la pon-deración de diferentes estrategias.

Resistencia a la obsolescencia: las aplicaciones desarrolladas por medio delenguajes de descripción de hardware (en inglés, HDL) pueden ser portadasa nuevas familias de FPGA normalmente sin mayores inconvenientes.

Existen diversas tecnologías de FPGA, cada una con distinta tasa de fallas (FITs,del inglés Failure In Time), medida cada un billón de horas, como se ilustra en laTabla 3.1 [13].

Página 22 de 59 Capítulo 3. Diseño e Implementación

TABLA 3.1: Tecnologías FPGA disponibles

FPGA Fallas Costo

Antifuse FPGA Sin fallas detectadas Muy altoFlash FPGA Sin fallas detectadas Alto

SRAM FPGA 500-2500 FITs Medio

Debido a su menor tasa de fallas las FPGA Flash y Antifuse son más adecuadaspara utilizarse en sistemas críticos. Sin embargo, para poder alcanzar los nive-les más altos de seguridad no alcanza con elegir una tecnología segura, tambiénes importante usar estrategias de redundancia [14] para asegurar su desempeñocomo se explicó en la sección 1.4.3.

Existen antecedentes internacionales de enclavamientos electrónicos utilizandoFPGAs que han alcanzado un elevado rendimiento RAMS[15]. Sin embargo, enArgentina y en la Latinoamérica no hay antecedentes de desarrollo tecnológicoen la temática. Por lo tanto, hasta donde se conoce, este trabajo es el primero enel área.

3.1.2. Máquinas de estado finito

Para la implementación del sistema de enclavamientos sobre la FPGA se utilizóVHDL (Very-High level Design Language) como lenguaje de descripción de hard-ware, ya que su sintaxis demanda ser muy específico en lo que se necesita, lo cualobliga a ser mas detallado a la hora de programar. Se consideró que eso sería unpunto a favor a la hora de desarrollar con éxito un sistema crítico.

Para lograr un diseño mas modular, cada componente del sistema de enclava-mientos se separó en distintas máquinas de estado, cada uno de los cuales co-manda diferentes elementos reales del sistema.

Una máquina de Moore es un modelo que describe el comportamiento de unsistema en función de sus entradas y salidas, donde cada señal de entrada y elestado anterior determinan en cada instante el estado presente de la máquina.Sus salidas dependen únicamente del estado actual.

La máquina de estados (Figura 3.1) se denomina máquina de estado finito si elconjunto de estados de la misma es finito.

FIGURA 3.1: Máquina de estado finito

3.2. Modelado de elementos ferroviarios Página 23 de 59

Cada máquina de estado debe cumplir:

Admitir solamente un estado por vez.

Definir de forma unívoca todas sus salidas en todo momento.

Pasar a un estado conocido al ser reseteadas.

Recibir un reloj externo para sincronizar la sincronización de su salida conlos demás módulos.

3.2. Modelado de elementos ferroviarios

Se utilizaron máquinas de estado para modelar cada elemento del sistema:

Máquina de estado del circuito de vía.

Máquina de estado de semáforos.

Máquina de estado de pasos a nivel.

Máquina de estado de máquina de cambios.

Máquina de estado de cambio de modos.

Cada uno de estos módulos se detalla a continuación.

3.2.1. Módulo de circuitos de vía

En el módulo de circuitos de vía la señal de entrada es el estado de ocupaciónde vía. Si no hay ninguna formación en el tramo de vía, la variable del vector deocupación estará en ’1’ (’libre’). Si en cambio se encuentra ocupado por una for-mación, la variable de ocupación se establecerá en ’0’ (’ocupado’). Esto se ilustraen la Figura 3.2 (a). En la Figura 3.2 (b) se puede apreciar el diagrama del móduloa implementar en VHDL.

FIGURA 3.2: Ocupación de vía, semáforos y máquina de estado


Conceptualmente la habilitación es una salida únicamente utilizada en modo se-miautomático donde es necesario solicitar el permiso o no del paso de un tren.En modo automático el paso está garantizado siempre y cuando se cumplan lascondiciones detalladas en la Sección 2.2.2.

3.2.2. Módulo de funcionamiento

En el módulo de funcionamiento la señal de entrada es el modo en el que el ope-rador desea que funcione el sistema de enclavamiento.

Modo automático: para este modo la variable de entrada deberá ser modo= ’1’.

Modo semiautomático: para este modo la variable de entrada deberá sermodo = ’0’.

El módulo deberá validar el pedido del operador en base al estado actual delsistema de enclavamientos.

3.2.3. Módulo de señales

Los semáforos principales se encuentran numerados del 1 al 9, siendo los imparescorrespondientes a la ruta ascendente y los pares a la descendente. Éstos son detres aspectos (rojo, amarillo y verde). Se añade el semáforo 10 para cambiar de laruta ascendente a la descendente y el semáforo 11 para el cambio inverso, ambosde dos aspectos (rojo y amarillo)

A cada aspecto se le asignó un valor entero (Figura 3.3 (a)): ’0’ para el rojo, ’-1’ para el amarillo y ’+1’ para el verde. Esto se hizo para respetar la forma enque los semáforos siguen el principio de falla segura: el estado ’0’ se impone enausencia de alimentación o por cualquier falla que pueda suceder, asumiendo elestado mas seguro. Se utiliza el ’-1’ y el ’+1’ porque los semáforos suelen utilizaruna tensión negativa y otra positiva para comandar estos dos estados.

En la Figura 3.3 (b) se ilustra el diagrama del módulo a implementar en VHDL,donde además de la entrada de ocupación se añaden dos entradas para que eloperador pueda ingresar la ruta deseada para cada vía, permitiendo operar enforma simultánea a las dos vías en paralelo.

3.2.4. Módulo de pasos a nivel

Los pasos a nivel a comandar son tres: Pampa, Echeverría y Juramento respec-tivamente. El primero y el último son pasos peatonales en el que solo hay queactivar/desactivar una campanilla de alerta para el transeúnte. En Echeverría secomanda una barrera de un paso a nivel vehicular, incluyendo el brazo, las cam-panas y las luces.

Aún así, se hará referencia en el código y la memoria a ’bajar/subir la barrera’ deforma indistinta para los tres pasos a nivel, por simplicidad de desarrollo.

Los estados se modelaron como se muestra en la Figura 3.4 (a). El estado de cadabarrera dependerá de las rutas ingresadas y de la ocupación de las vías en el modo

3.2. Modelado de elementos ferroviarios Página 25 de 59

FIGURA 3.3: (a) Convención de valores para aspectos(b) Máquina de estados de semáforos

semiautomático y únicamente de la ocupación en el automático. La máquina deestados para modelar el comportamiento de las barreras se presenta en la Figura3.4 (b).

FIGURA 3.4: (a) Convención de valores para barreras(b) Máquina de estados de barreras

3.2.5. Módulo de máquina de cambios

La máquina de cambios puede presentar dos posiciones: normal y reversa, comose muestra en la Figura 3.5 (a).

La máquina de estados resulta similar a las explicadas anteriormente, comandadapor las rutas y ocupaciones para el modo semiautomático y solamente por lasocupaciones en el automático. La Figura 3.5 (b) muestra la máquina de estadosdescripta.


FIGURA 3.5: (a) Convención de valores para máquina de cambios(b) Máquina de estados de máquina de cambios

Máquina de cambios a normal: Permite el paso de las formaciones de formarecta, sin cambiar de vía.

Máquina de cambios a reversa: Permite el cambio de formaciones de unavía a la otra.

3.3. Implementación del sistema de enclavamientos de laestación Belgrano R

Ya se ha presentado en la Sección 3.2.2 las diferencias principales entre ambosmodos. Aunque conceptualmente tengan grandes diferencias, técnicamente se re-suelven de forma similar, la diferencia se explicará en las secciones siguientes.

3.3.1. Implementación de circuitos de vía

El vector de habilitación consta de doce elementos, uno por cada ruta a aprobar.Donde se utiliza el valor ’0’ para indicar que una ruta no se encuentra habilitaday un ’1’ para indicar la habilitación de la ruta correspondiente a la posición delvector; tiene la siguiente estructura:

Habilitación = [R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8,R9,R10,R11,R12]

En base a la tabla de enclavamientos 2.1 se combinan los doce elementos querepresentan los doce circuitos de vías del sistema, para generar la salida del mó-dulo que es el vector de habilitación, cuya cantidad de elementos es igual a la decircuitos de vías, con la siguiente estructura:

Ocupación = [CV1,CV2,CV3,CV4,CV5,CV6,CV7,CV8,CV9,CV10,CV11,CV12]

La sección de vía estará habilitada a ser ocupada (’1’) o deshabilitada (’0’) comose muestra en el Algoritmo 3.1.


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1 constant OCUPADO: s t d _ l o g i c := ’ 0 ’ ;2 constant LIBRE : s t d _ l o g i c := ’ 1 ’ ;3

ALGORITMO 3.1: Declaracion de estados de circuito de vía

Por ejemplo para la Ruta 2 descripta en la Tabla 2.1 se puede ver que se tiene alcircuito de vía 3, 5 y 7 con ’O’ (via líbre) y el circuito de vía 1 con ’X’ (ocupado).Por lo tanto solo si el operador solicita esa ruta y se dan esas cuatro condicionesse habilitará la misma para ser elegida como se muestra en el Algoritmo 3.2.

1 h a b i l i t a c i o n ( rutas ’ pos (RUTA2) ) <= ’1 ’ when2 Circui to_Via ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC1 ) ) = OCUPADO and3 Circui to_Via ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC3 ) ) = LIBRE and4 Circui to_Via ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC5 ) ) = LIBRE and5 Circui to_Via ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC7 ) ) = LIBRE e l s e ’ 0 ’ ;6

7 . . .8

9 i f ( Ruta (ASCENDENTES) = 2 and h a b i l i t a c i o n ( rutas ’ pos (RUTA2) ) =’ 1 ’ ) then

10 Ruta_ascendente <= ASC_2 ;11

ALGORITMO 3.2: Habilitacion de ruta 2

No obstante, que una ruta esté habilitada no implica que se le pueda dar cur-so. Antes será necesario verificar el estado de los pasos a nivel y la máquina decambios (Algoritmo 3.3.).

1 when ASC_2 =>2 −− Manejo de s is temas3 Maquina_ASC <= NORMAL;4 PaN_ASC(PAMPA) <= BARRERA_BAJA ;5 PaN_ASC(ECHEVERRIA) <= BARRERA_BAJA ;6 PaN_ASC(JURAMENTO) <= BARRERA_ALTA;7 −− comprobar maquina8 i f ( Maquina_N = NORMAL and Maquina_R = S_NO_REVERSA) then9 −− Controlar b a r r e r a s

10 i f ( PaN_Bajo (PAMPA) = S_BAJO and PaN_Alto (PAMPA) = S_NO_ALTOand

11 PaN_Bajo (ECHEVERRIA) = S_BAJO and PaN_Alto (ECHEVERRIA) =S_NO_ALTO and

12 PaN_Bajo (JURAMENTO) >= S_BAJO and PaN_Alto (JURAMENTO) <=S_NO_ALTO) then

13 Control de semaforos14 . . .15 −− end i f ;16 end i f ;17

ALGORITMO 3.3: Comprobación de señalamiento

3.3.2. Implementación de funcionamiento

El módulo de funcionamiento verifica la ocupación de los circuitos de vía paradeterminar si es seguro cambiar de modo automático a semiautomático y vice-versa. Por un lado, se requiere cambiar de modo semiautomático a automático esnecesario no solo verificar que las vías se encuentren libres de formaciones, sino


también que la máquina de cambios se encuentre en posición ’normal’. Por otro,el cambio de modo automático a semiautomático no requiere el análisis previode ninguno de los estados del sistema. El Algoritmo 3.4 describe la resolución delproblema diseñada.

1 constant SEMIAUTOMATICO: s t d _ l o g i c := ’ 0 ’ ;2 constant AUTOMATICO: s t d _ l o g i c := ’ 1 ’ ;3 . . .4

5 MODOS: process ( Clock , Reset )6 begin7 i f ( Clock = ’1 ’ and Clock ’ Event and Reset = ’ 1 ’ ) then8 i f ( Reset = ’ 1 ’ ) then9 Modo <= SEMIAUTOMATICO;

10 end i f ;11 e l s e12 i f ( Modo_in = AUTOMATICO and h a b i l i t a c i o n ( rutas ’ pos (

RUTA_0ASC) ) = ’1 ’ and h a b i l i t a c i o n ( rutas ’ pos (RUTA_0DES) ) = ’ 1 ’ ) then13 Modo <= AUTOMATICO;14 end i f ;15 i f ( Modo_in = SEMIAUTOMATICO) then16 Modo <= SEMIAUTOMATICO;17 end i f ;18 end i f ;19 end process MODOS;20

ALGORITMO 3.4: Proceso de cambio de modos

La señal de entrada ’modo’ no fuerza el cambio de modo, sino que debe pasarpor el procesamiento previamente descripto, de forma tal de evitar transicionesriesgosas.

El modo automático utiliza un registro por cada circuito de vía, dando un totalde doce, mientras que para el modo semiautomático bastan dos registros (unopara la vía ascendente y otro para la descendente) para describir el sistema ensu totalidad. Para unificar la salida en un único vector es necesario tener unaestrategia para procesar los registros y unificarlos sin pérdida de datos relevantes.En las siguientes secciones se mencionará como se abordó la cuestión en cadamódulo particularmente.

3.3.3. Implementación de pasos a nivel

Al igual que con los circuitos de vía, los pasos a nivel se modelan con un vector,en este caso de tres elementos (uno por cada paso a nivel).

La operación de los pasos a nivel difiere según que modo esté activo: automáticoo semiautomático. En el caso del modo semiautomático se tendrán dos vectorespara comandar los pasos a nivel (uno ascendente y el otro descendente). En elcaso del modo automático se tendrá uno por cada circuito de vía, dando un totalde doce.

Comportamiento en modo semiautomático

Analizando el caso semiautomático, ambos vectores actúan sobre los mismos pa-sos a nivel, por lo que no pueden combinarse como en el caso de los semáforos


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del mismo modo. Se presenta en la Figura 3.6 un ejemplo de como pasar a unúnico vector de salida para pasos a nivel. Se modeló con rojo y verde las barrerasbajas y altas respectivamente, para reforzar visualmente el ejemplo y trazar unparalelismo con el ejemplo utilizado para los semáforos.

FIGURA 3.6: Pasos a nivel en modo semiautomático

Por ejemplo, si la máquina de estado que comanda la vía ascendente pide que elprimer paso a nivel se encuentre cerrado al tránsito peatonal y al mismo tiempo lamáquina de estado descendente pide que el que se encuentre cerrado al tránsitosea el tercero, entonces la conjunción entre ambos dará un vector resultante dondetanto el primer como el tercer paso están cerrados.

No es necesario que ambas máquinas de estado coincidan en que ’barrera’ debabajar, basta con que una lo pida para que ese estado se imponga en el resultado fi-nal. La única forma de que se mantenga el paso a nivel abierto al tránsito peatonalo vehicular es si ambas coinciden en mantenerlo abierto.

Comportamiento en modo automático

El caso automático es completamente análogo al modelo de los semáforos. Se tie-nen doce vectores cuyo largo coincide con la cantidad de elementos a controlar,en este caso los pasos a nivel que son tres. Los vectores de pasos a nivel depen-den de los de los estados de ocupación de cada circuito de vía, se inicializan enestado alto (indicado en verde en el diagrama) y ante cada ocupación cambian loselementos del vector según la Tabla 2.3.

Luego se hace una conjunción con todo esos vectores y se obtiene un único vectorde salida de pasos a nivel, como se muestra en la Figura 3.7.

A modo de caso particular, en la imagen 3.7 se observa que la ocupación de la vía1 exige que el paso a nivel de Pampa encienda su campanilla. Luego otros doscircuitos de vías genéricos que se llamaron ’i’ y ’N’ respectivamente, piden que lacampanilla activa sea la de Juramento.

Al hacer la conjunción entre todos los registros se obtiene un resultado como semuestra en el Algoritmo 3.5.

1 BARRERAS: process ( Clock )2 begin3 i f ( Clock = ’1 ’ and Clock ’ Event ) then4 i f ( Reset = ’ 1 ’ ) then5 PaN(PAMPA) <= BARRERA_BAJA ;


FIGURA 3.7: Pasos a nivel en modo automático

6 PaN(ECHEVERRIA) <= BARRERA_BAJA ;7 PaN(JURAMENTO) <= BARRERA_BAJA ;8 e l s e9 i f (Modo = SEMIAUTOMATICO) then

10 PaN(PAMPA) <= PaN_ASC(PAMPA) and PaN_DES(PAMPA) ;11 PaN(ECHEVERRIA) <= PaN_ASC(ECHEVERRIA) and PaN_DES(

ECHEVERRIA) ;12 PaN(JURAMENTO) <= PaN_ASC(JURAMENTO) and PaN_DES(

JURAMENTO) ;13 end i f ;14 i f (Modo = AUTOMATICO) then15 PaN_auto <= PaN_auto_CV_1 and PaN_auto_CV_2 and

PaN_auto_CV_3 and16 PaN_auto_CV_4 and PaN_auto_CV_5 and



PaN_auto_CV_12 ;19

20 PaN(PAMPA) <= PaN_auto (PAMPA) ;21 PaN(ECHEVERRIA) <= PaN_auto (ECHEVERRIA) ;22 PaN(JURAMENTO) <= PaN_auto (JURAMENTO) ;23 end i f ;24 end i f ;25 end i f ;26 end process BARRERAS;27

ALGORITMO 3.5: Proceso de control de barreras

La única diferencia con el modo semiautomático es la cantidad de registros y queesta estrategia permite tener mas de un tren por sentido de circulación.


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3.3.4. Implementación de máquina de cambios

El funcionamiento de este módulo es análogo al del módulo de pasos a nivel(Algoritmo 3.6). En el modo semiautomático se realiza la conjunción del estado desalida que se obtiene al solicitar la ruta ascendente y la ruta descendente, de formatal que siempre se imponga la posición ’normal’ a menos que ambas máquinasde estado pidan una posición a ’reversa’ en simultáneo, evitando que por error sesolicite un cambio de vías durante el trayecto directo de las formaciones.

1 MAQUINAS: process ( Clock )2 begin3 i f ( Clock = ’1 ’ and Clock ’ Event ) then4 i f ( Reset = ’ 1 ’ ) then5 Maquina <= NORMAL;6 e l s e7 Maquina <= Maquina_ASC and Maquina_DES ;8 end i f ;9 end i f ;

10 end process MAQUINAS;11

ALGORITMO 3.6: Proceso control de máquina de cambios

En cambio en el modo automático siempre se debe tener la máquina de cambiosen posición ’normal’, sin excepciones.

3.3.5. Implementación de semáforos

El vector de semáforos modela los aspectos de cada uno de los mismos, asignandoa cada semáforo una posición del vector según su numeración. Al igual que conlos pasos a nivel, son necesarios dos vectores (ascendente y descendente) paramodelar los semáforos en modo semiautomático y doce vectores para modelarlosen modo automático (uno por cada circuito de vía).

El aspecto de cada semáforo puede ser rojo (’00’), amarillo (’01’) o verde (’11’).Los valores elegidos se deben a que si por error se modifica algún bit de la señal,no se produzcan cambios de rojo a verde o viceversa, sino que se llegue a un valorintermedio (amarillo) de peligrosidad menor. Se presenta en el Algoritmo 3.7 laconvención de señales adoptada.

1 constant ROJO : SM_ESTADO := " 00 " ; −− 02 constant AMARILLO: SM_ESTADO := " 01 " ; −− −13 constant VERDE: SM_ESTADO := " 11 " ; −− +14

ALGORITMO 3.7: Estados de los semáforos

Para realizar las operaciones de conjunción se asumió además que los valores arit-méticos de los aspectos rojo, amarillo y verde son ’0’, ’-1’ y ’+1’ respectivamente,de forma tal de facilitar las operaciones. Por defecto los semáforos en modo auto-mático se encuentran en verde, que al ser el neutro de la conjunción no afectaránen nada a la misma, ya que siempre se impondrán los casos mas seguros. Si setienen todos los aspectos verdes (+1) y se hace la conjunción con un amarillo (-1)el resultado será amarillo (-1). Pero si uno de los aspectos pedidos es rojo (0), elresultado final de ese aspecto será rojo (0). Siguiendo el principio de falla segura,el pedido mas conservador se impone a todos los demás.


Comportamiento en modo semiautomático

En el modo semiautomático se reciben como entradas el número de ruta ascen-dente (0, 1-5, 10-11) y el número de rutas descendente (0, 6-9, 10-11). Siempre quese reciba una ruta de cambio (10 u 11) se deberá ingresar en ambas entradas ala vez. La entrada de ocupación se utiliza para generar el vector de habilitaciónnecesario para ésta modalidad.

Debido a que se utilizan dos máquinas de estado en este modo, se pueden ma-nejar de forma concurrente la mitad de los semáforos en cada una, sin superpo-sición. Es decir, al ingresar una ruta ascendente solo cambiarán de aspecto lossemáforos 1, 3, 5, 7, 9 y 10, dejando al resto sin cambios. De igual forma para losdescendentes si se ingresa una ruta de dicha vía.

Como la salida de semáforos debe ser un único vector, se combinan el vectorascendente y el descendente en uno solo, utilizando el número de semáforo comoelemento de posición en el arreglo. Obteniendo un vector semáforo genérico queintercala los semáforos de la forma:

[ASC1,DES2,ASC3,DES4,ASC5,DES6,ASC7,DES8,ASC9,CHG10,CHG11]

Donde se utilizaron las abreviaturas ASC,DES y CHG para referirse a las señalesascendente, descendente y de cambio de vías respectivamente. En el Algoritmo3.8 se muestra una porción del código correspondiente a la asignación de semá-foros en el modo semiautomático.

1 SEMAFORO_ASIGNADOR: process ( Clock )2 begin3 i f ( Clock = ’1 ’ and Clock ’ Event ) then4 i f ( Reset = ’ 1 ’ ) then5 Semaforos <= " 00000000000 " ;6 e l s e7 i f (Modo = SEMIAUTOMATICO) then8 Semaforos ( semaforos_t ’ pos (SEM_1) ) <= Semaforos_ASC (

SEM_asc_t ’ pos (SEM_1) ) ;9 Semaforos ( semaforos_t ’ pos (SEM_2) ) <= Semaforos_DES (

sem_des_t ’ pos (SEM_2) ) ;10 . . .11 e l s i f (Modo = AUTOMATICO) then12 Semaforos <= semaforo_auto_CV_1 and semaforo_auto_CV_2

and semaforo_auto_CV_3 and13 semaforo_auto_CV_4 and semaforo_auto_CV_5 and

semaforo_auto_CV_6 and14 semaforo_auto_CV_7 and semaforo_auto_CV_8 and

semaforo_auto_CV_9 and15 semaforo_auto_CV_10 and semaforo_auto_CV_11 and

semaforo_auto_CV_12 ;16 end i f ;17 end i f ;18 end i f ;19 end process SEMAFORO_ASIGNADOR;20

21

ALGORITMO 3.8: Proceso de señalamiento


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Comportamiento en modo automático

En cambio en el modo automático cada ocupación de vía define su propio vectorde semáforos. Es decir, se tienen doce vectores (seis correspondientes a los cir-cuitos de vías del tramo ascendente y seis descendentes). Este modo ignora lasentradas de rutas y solo obedece las entradas de ocupación, ya que no requierede un operador solicitando las rutas sino que los semáforos se presentan siem-pre en verde hacia adelante salvo que se encuentre muy próxima una formaciónposterior.

Como ejemplo, en la Figura 3.8 se observa que al ocuparse el circuito de vía 7,las señales 3 y 5 pasan a un aspecto rojo y el semáforo 1 pasará a amarillo, lo queconsiste en un doble recubrimiento que protege a la formación de ser embestidapor otras formaciones que vengan desde atrás.

FIGURA 3.8: Semáforos en modo automático con ocupación sim-ple

El verde representa al ’1’ que al ser el neutro de la conjunción no afecta el resulta-do final, el amarillo representa el ’-1’ que solo se impone sobre los semáforos enverde y finalmente el rojo es el ’0’ que impone su estado sobre todos los demásaspectos intervinientes. El resultado es que el vector de señales que se solicita alocuparse el circuito de vía 7 se refleja directamente en la salida.

A modo de variable del caso anterior, si al desplazarse la formación ocupa elcircuito de vía 7 y el comienzo del circuito de vía 9 se tendrán ambos tramosdetectados como ocupados. Por lo tanto se realizará una conjunción entre todoslos circuitos ascendentes para obtener el resultado total de los semáforos de esesentido como se muestra en la Figura 3.9.


FIGURA 3.9: Semáforos en modo automático con ’tren a caballo’

En el ejemplo mostrado se permite la presencia de dos formaciones en el tra-yecto, lo que en el modo semiautomático no se permite, dinamizando el viaje yminimizando el tiempo de trayecto. Además de esta manera se pueden realizarconjunciones de todos los registros y lograr un solapamiento de recubrimientos,de forma tal de contemplar lo que en la jerga ferroviaria se denomina ’tren acaballo’. Esta consiste en una formación ocupado el fin de un tramo de vía y elcomienzo del siguiente, de forma simultánea. Así deberán coexistir dos dobles re-cubrimientos a la vez, formando un solo recubrimiento triple a peligro con señalde precaución.

3.3.6. Resumen de registros

Se presentan en la Tabla 3.2 los dos modos de funcionamiento del enclavamiento,indicando algunas características de cada uno.

TABLA 3.2: Modos de funcionamiento

Modo Circuitos de vía Semáforos Pasos a nivel Máquina de cambios Condiciones de ingreso

Semiautomático Habilitan hasta 2 rutas Dos registros Dos registros Dos registros IrrestrictoAutomático Superponen varios estados Doce registros Doce registros Doce registros Vías libres y máquina ’normal’

3.3.7. Resumen general del sistema de enclavamiento

En la Figura 3.10 se presenta el sistema de enclavamiento diseñado en tres etapas.

Cada etapa posee diferentes funciones, descriptas de la siguiente manera:


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FIGURA 3.10: Diagrama general del sistema de enclavamiento

1. Habilitador y selector de modo: corresponde a los módulos que procesan elvector de ocupación para generar la habilitación de las rutas y la seleccióndel modo de funcionamiento en base al estado actual del enclavamiento.

2. Procesador de estados: lee los estados del señalamiento (pasos a nivel, má-quina de cambios y semáforos), además de las variables que requiera elmodo correspondiente: ruta pedida y habilitación en el caso del modo se-miautomático y la ocupación en el caso automático. Ambos módulos sonmutuamente excluyentes y generan las señales internas que necesitan losmódulos de señalamiento.

3. Actualizador y enclavador de señalamiento: corresponde a la generaciónde los estados de señalamiento en función del modo elegido y las señalesinternas que genera la segunda etapa.

Todos los módulos se encuentran sincronizados por el mismo reloj y funcionande forma concurrente, evitando transiciones indefinidas entre cualquiera de losestados del sistema.

37

Capítulo 4

Ensayos y resultados

En este capítulo se presentan las pruebas realizadas sobre el sistema de enclava-mientos y cada una de sus partes, las limitaciones encontradas y los alcances delsistema diseñado.

4.1. Validación de las habilitaciones

En el modo semiautomático se tiene un vector de habilitaciones que permite queuna ruta ingresada sea tomada como válida solo si cumple las condiciones de víalibre en las secciones indicadas por la tabla 2.1.

Se diseñó en Octave un script para generar el testbench, ingresando todas lascombinaciones de rutas ascendentes y descendentes posibles.

Se simula una ocupación de un circuito de vía arbitrario, luego manteniéndoloocupado se procede a ocupar y desocupar todos los demás circuitos de vía enorden creciente. Luego se analiza el vector de habilitaciones para comprobar quesolo serían posible pedir hasta dos rutas por sentido de circulación.

Tener en cuenta que en esas hipotéticas dos rutas a permitir, ambas deberán estardistanciadas por al menos dos circuitos de vías. Además de que la habilitaciónno implica la ejecución inmediata, faltaría que el operario haga el pedido de laruta, que al hacerse una por vez se obtiene la restricción de solamente una rutaen ejecución por sentido de circulación.

4.1.1. Testbench de habilitaciones

Se generó el Algoritmo 4.1 para simular la presencia de una formación recorrien-do los tramos de vías en orden ascendente o descendente según correspondía.

1 l i b r a r y IEEE ;2 use IEEE . s t d _ l o g i c _ 1 1 6 4 . a l l ;3 use IEEE . numeric_std . a l l ;4 use work . semaforo_tipo . a l l ;5

6 e n t i t y H a b i l i t a c i o n _ t b i s7 end ;8

9 a r c h i t e c t u r e H a b i l i t a c i o n _ t b _ a r q of H a b i l i t a c i o n _ t b i s10 −− Parte d e c l a r a t i v a11 component FSM_Belgrano i s

Página 38 de 59 Capítulo 4. Ensayos y resultados

12 gener ic ( N_CV: nat ur a l := 1 2 ; N_SM: na tur a l := 1 1 ; N_PaN :na tu ra l := 3 ; N_rutas : n a tu ra l := 13 ) ;

13 port (14 Clock , Reset : in s t d _ l o g i c ;15 Ruta : in ruta_array ;16 Modo_in : in s t d _ l o g i c ;17 Circui to_Via : in s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_CV−1 downto 0) ;18 Semaforos_in : in s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_SM−1 downto 0) ;19 Maquina_N : in s t d _ l o g i c ;20 Maquina_R : in s t d _ l o g i c ;21 PaN_Bajo : in s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_PaN−1 downto 0) ;22 PaN_Alto : in s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_PaN−1 downto 0) ;23 Semaforos : out s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_SM−1 downto 0) ;24 Maquina : out s t d _ l o g i c ;25 PaN : out s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_PaN−1 downto 0)26 ) ;27 end component ;28 . . .29 begin30 . . .31 OCUPACIONES: process32 begin33 −− Pivote 1234 wait f o r delay ;35 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC12 ) ) <= OCUPADO;36 wait f o r delay ;37 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC1 ) ) <= OCUPADO;38 wait f o r delay ;39 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC1 ) ) <= LIBRE ;40 wait f o r delay ;41 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC2 ) ) <= OCUPADO;42 wait f o r delay ;43 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC2 ) ) <= LIBRE ;44 wait f o r delay ;45 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC3 ) ) <= OCUPADO;46 wait f o r delay ;47 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC3 ) ) <= LIBRE ;48 wait f o r delay ;49 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC4 ) ) <= OCUPADO;50 wait f o r delay ;51 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC4 ) ) <= LIBRE ;52 wait f o r delay ;53 . . .54 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC10 ) ) <= OCUPADO;55 wait f o r delay ;56 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC10 ) ) <= LIBRE ;57 wait f o r delay ;58 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC11 ) ) <= OCUPADO;59 wait f o r delay ;60 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC11 ) ) <= LIBRE ;61 wait f o r delay ;62 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC12 ) ) <= LIBRE ;63 wait f o r delay ;64 end process OCUPACIONES;65

66 DUT: FSM_Belgrano67 port map(68 Clock => Clock_tb ,69 Reset => Reset_tb ,70 Ruta => Ruta_tb ,71 Modo_in => Modo_in_tb ,72 Circui to_Via => Circui to_Via_tb ,73 Semaforos_in => Semaforos_in_tb ,

4.1. Validación de las habilitaciones Página 39 de 59

74 Maquina_N => Maquina_N_tb ,75 Maquina_R => Maquina_R_tb ,76 PaN_Bajo => PaN_Bajo_tb ,77 PaN_Alto => PaN_Alto_tb ,78 Semaforos => Semaforos_tb ,79 Maquina => Maquina_tb ,80 PaN => PaN_tb81 ) ;82 end ;83

ALGORITMO 4.1: Testbench de habilitaciones

4.1.2. Resultados obtenidos

Luego de simular el sistema con el testbench descripto en la sección 4.1.1 obtuvie-ron varios resultados relevantes. En particular, según la Tabla 2.1, la ruta 6 pideel circuito de vía 12 ocupado y el 8 y 10 libres. Por otro lado, la ruta 8 pide que elcircuito de vía 6 se encuentre ocupado y el 2, 4, 8 y 10 libres. Se colocó el cursoren el intervalo de tiempo indicado para todas las Figuras de esta subsección.

En la Figura 4.1 se observa que la ocupación del circuito de vía 12 (’0’) se mantienedurante todo el intervalo mostrado de la simulación. A la par que se ocupan ydesocupan de forma ordenada los circuitos de vías del 1 al 11.

FIGURA 4.1: Habilitación de rutas 6 y 8

Cuando se ocupan el circuito de vía 6 y 12 al mismo tiempo(indicadas en ’0’), lasrutas habilitadas son la ruta 6 y la ruta 8 (indicadas en ’0’), es decir, el operariopodría elegir ingresar la ruta 6 o la 8, pero no ambas. Entre el circuito de vía 12y el 6 existen dos circuitos de vías de distancia (el 10 y el 8). Ambas rutas estánseparadas por el semáforo 4 y no existe peligro de colisión. Se asegura la distanciamínima de seguridad entre ambas formaciones.


En la Figura 4.2, no se encuentra ningún circuito de vía ascendente ocupado yla señal de ’ascendente vacío’ se encuentra habilitada (indicado en ’1’). Su con-traparte descendente se encuentra deshabilitada (indicado en ’0’) por tener doscircuitos de vías ocupados en ese momento.

FIGURA 4.2: Indicación de ascendente vacío

Debido a que la ocupación del circuito de vía 6 es condición necesaria para iniciarel cambio de vía y ejecutar la ruta 11, el operario también tendría la posibilidadde solicitar esta maniobra en este momento. Tal como se puede apreciar en lavariable ’cambio 11’ que se muestra en la Figura 4.3.

FIGURA 4.3: Permisos para realizar cambio de vías

4.2. Validación del modo semiautomático Página 41 de 59

Se puede apreciar que ninguna ocupación de la vía ascendente repercute ni posi-tiva ni negativamente en la habilitación de las vías descendentes. Lo que muestraun paralelismo entre ambos sentidos de circulación, sin riesgo de interferenciaentre ellos.

Finalmente, se verifica que la habilitación del reset se encuentra siempre activa.El operario puede en todo momento solicitar la anulación de los pedidos y volvera un estado seguro.

Se realizó el mismo test utilizando de pivote todos los otros circuitos de vías, coniguales resultados:

Hasta dos rutas principales a solicitar por tramo.

Distancia entre esas rutas de dos circuitos de vías.

Habilitación del reset siempre activa.

Ocupaciones de un sentido no interfieren en las habilitaciones del sentidoopuesto.

4.2. Validación del modo semiautomático

Una vez verificado que las habilitaciones son correctas, se diseñó otro banco depruebas donde a la par que se van cumpliendo las ocupaciones que demandan latabla 2.1, se simula el ingreso de rutas de un operario.

El objetivo de la prueba es visualizar el comportamiento de todas las salidas:semáforos, pasos a nivel y máquina de cambios. Para ello se utilizó una versiónadaptada del código anterior, que se muestra a continuación.

4.2.1. Testbench de modo semiautomático

Se generó el Algoritmo 4.2 para simular la presencia de una formación recorrien-do los tramos de vías en orden ascendente o descendente a la vez que el operadorva solicitando diversas rutas a ser aprobadas por el sistema de enclavamiento.

1 l i b r a r y IEEE ;2 use IEEE . s t d _ l o g i c _ 1 1 6 4 . a l l ;3 use IEEE . numeric_std . a l l ;4

5 use work . semaforo_tipo . a l l ;6

7 e n t i t y Semiautomatico_tb i s8 end ;9

10 a r c h i t e c t u r e Semiautomatico_tb_arq of Semiautomatico_tb i s11 −− Parte d e c l a r a t i v a12 component FSM_Belgrano i s13 gener ic ( N_CV: nat ur a l := 1 2 ; N_SM: na tur a l := 1 1 ; N_PaN :

na tu ra l := 3 ; N_rutas : n a tu ra l := 13 ) ;14 port (15 Clock , Reset : in s t d _ l o g i c ;16 Ruta : in ruta_array ;17 Modo_in : in s t d _ l o g i c ;18 Circui to_Via : in s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_CV−1 downto 0) ;


19 Semaforos_in : in s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_SM−1 downto 0) ;20 Maquina_N : in s t d _ l o g i c ;21 Maquina_R : in s t d _ l o g i c ;22 PaN_Bajo : in s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_PaN−1 downto 0) ;23 PaN_Alto : in s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_PaN−1 downto 0) ;24 −−Semaforos : out SEMAFORO;25 Semaforos : out s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_SM−1 downto 0) ;26 Maquina : out s t d _ l o g i c ;27 PaN : out s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_PaN−1 downto 0)28 ) ;29 end component ;30 . . .31 begin32 . . .33 CVS : process34 begin35 wait f o r 5∗delay ;36 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC1 ) ) <= OCUPADO;37 wait f o r delay ;38 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC1 ) ) <= LIBRE ;39 wait f o r 2∗delay ;40 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC5 ) ) <= OCUPADO;41 wait f o r delay ;42 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC5 ) ) <= LIBRE ;43 wait f o r 2∗delay ;44 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC7 ) ) <= OCUPADO;45 wait f o r delay ;46 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC7 ) ) <= LIBRE ;47 wait f o r 2∗delay ;48 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC9 ) ) <= OCUPADO;49 wait f o r delay ;50 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC9 ) ) <= LIBRE ;51 wait f o r 2∗delay ;52 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC12 ) ) <= OCUPADO;53 wait f o r delay ;54 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC12 ) ) <= LIBRE ;55 wait f o r 2∗delay ;56 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC10 ) ) <= OCUPADO;57 wait f o r delay ;58 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC10 ) ) <= LIBRE ;59 wait f o r 2∗delay ;60 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC6 ) ) <= OCUPADO;61 wait f o r delay ;62 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC6 ) ) <= LIBRE ;63 wait f o r 2∗delay ;64 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC4 ) ) <= OCUPADO;65 wait f o r delay ;66 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC4 ) ) <= LIBRE ;67 wait f o r 2∗delay ;68 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC9 ) ) <= OCUPADO;69 wait f o r delay ;70 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC9 ) ) <= LIBRE ;71 wait f o r 2∗delay ;72 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC6 ) ) <= OCUPADO;73 wait f o r delay ;74 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC6 ) ) <= LIBRE ;75 wait f o r 2000 ns ;76 end process CVS ;77

78 RUTAS_gen : process79 begin80 wait f o r delay ;81 Ruta_tb ( 0 ) <= 1 ;


82 wait f o r 3∗delay ;83 Ruta_tb ( 0 ) <= 2 ;84 wait f o r 3∗delay ;85 Ruta_tb ( 0 ) <= 3 ;86 wait f o r 3∗delay ;87 Ruta_tb ( 0 ) <= 4 ;88 wait f o r 3∗delay ;89 Ruta_tb ( 0 ) <= 5 ;90 wait f o r 3∗delay ;91 Ruta_tb ( 0 ) <= 0 ;92 Ruta_tb ( 1 ) <= 6 ;93 wait f o r 3∗delay ;94 Ruta_tb ( 1 ) <= 7 ;95 wait f o r 3∗delay ;96 Ruta_tb ( 1 ) <= 8 ;97 wait f o r 3∗delay ;98 Ruta_tb ( 1 ) <= 9 ;99 wait f o r 3∗delay ;

100 Ruta_tb ( 0 ) <= 1 0 ;101 Ruta_tb ( 1 ) <= 1 0 ;102 wait f o r 3∗delay ;103 Ruta_tb ( 0 ) <= 1 1 ;104 Ruta_tb ( 1 ) <= 1 1 ;105 wait f o r 3∗delay ;106 Ruta_tb ( 0 ) <= 0 ;107 Ruta_tb ( 1 ) <= 0 ;108 wait f o r 2000 ns ;109 end process RUTAS_gen ;110

111 DUT: FSM_Belgrano112 port map(113 Clock => Clock_tb ,114 Reset => Reset_tb ,115 Ruta => Ruta_tb ,116 Modo_in => Modo_in_tb ,117 Circui to_Via => Circui to_Via_tb ,118 Semaforos_in => Semaforos_in_tb ,119 Maquina_N => Maquina_N_tb ,120 Maquina_R => Maquina_R_tb ,121 PaN_Bajo => PaN_Bajo_tb ,122 PaN_Alto => PaN_Alto_tb ,123 Semaforos => Semaforos_tb ,124 Maquina => Maquina_tb ,125 PaN => PaN_tb126 ) ;127 end ;128

ALGORITMO 4.2: Testbench de modo semiautomático


Luego de simular el sistema con el testbench descripto en la sección 4.2 se centrala atención en el pedido y aprobación de la ruta 9, con el correspondiente cambioen el señalamiento.

En la Figura 4.4 se observa que al habilitarse únicamente el pedido de la ruta 9,del tramo descendente, los semáforos del tramo ascendente se mantienen en rojo,lo cual es coherente con la independencia de ambos sentidos de circulación.


FIGURA 4.4: Ruta 9 - Semáforos ascendentes

Al pedir la ruta 9 los únicos semáforos activos son el 2 en amarillo y el 8 en verde,mientras que los restantes (incluyendo los semáforos ascendentes y de cambio),estarán todos con aspecto rojo, como puede observase en la Figura 4.5.

FIGURA 4.5: Ruta 9 - Semáforos descendentes

En la Figura 4.6 se visualiza que el único paso a nivel en precaución será el dePampa con su campanilla activa, mientras que Echeverría tendrá su barrera enalto y Juramento su campanilla desactivada La máquina de cambios se manten-drá siempre en posición ’normal’ hasta que ambas rutas ingresen el pedido derutas de cambio (10 y 11).


FIGURA 4.6: Ruta 9 - Pasos a nivel y máquina de cambios

Durante el cambio de vías todos los semáforos pasan a rojo menos el semáforo 1que se mantiene en aspecto amarillo y los semáforos 10 y 11 que pasarán igual-mente a amarillo según el sentido de cambio que corresponda. En la Figura 4.7 seobserva que todos los pasos a nivel pasan a peligro (campanillas activas y barrerabaja según corresponda), la máquina de cambios pasa a posición ’reversa’ solocuando ambas máquinas de estado solicitan la ruta de cambio y se habilita la rutaal detectar la ocupación de la vía solo en las secciones indicadas por la Tabla 2.1.

FIGURA 4.7: Ruta 10 - Pasos a nivel, máquina de cambios y semá-foros de maniobra

En el caso de no tener ninguna ruta pendiente de ser aprobada, ambas máqui-nas de estado pasan a un estado neutro de seguridad, la máquina de cambios secoloca en posición ’normal’, todos los pasos a nivel quedan habilitados para lacirculación (de peatones y vehículos) y los semáforos cambian todos al aspectorojo de prohibición de paso hasta el próximo pedido de rutas, como puede visua-lizarse en la Figura 4.8.


FIGURA 4.8: Semáforos en ausencia de rutas

4.3. Validación modo automático

Para la prueba del modo automático ya no se necesita el ingreso de rutas, por locual el test a utilizar es similar pero sin ese proceso involucrado. Además se hamodificado la secuencia de circuitos de vías ocupados para simular un caso real:el ’tren a caballo’.

Como se explicó en el Capítulo 3, cuando una formación se encuentra ocupan-do dos circuitos de vía simultáneamente se dice que se encuentra ’a caballo’. Elobjetivo de esta prueba será ver el comportamiento del señalamiento ante este su-ceso y visualizar ya no un doble recubrimiento a peligro sino uno triple, tal comoocurre en campo.

4.3.1. Testbench de modo automático

Se generó el Algoritmo 4.3 para simular la presencia de una formación recorrien-do los tramos de vías en orden ascendente o descendente durante el funciona-miento del sistema en modo automático.



7 e n t i t y Automatico_tb i s8 end ;9

10 a r c h i t e c t u r e Automatico_tb_arq of Automatico_tb i s11 −− Parte d e c l a r a t i v a12 component FSM_Belgrano i s13 gener ic ( N_CV: nat ur a l := 1 2 ; N_SM: na tur a l := 1 1 ; N_PaN :

na tu ra l := 3 ; N_rutas : n a tu ra l := 13 ) ;

4.3. Validación modo automático Página 47 de 59

14 port (15 Clock , Reset : in s t d _ l o g i c ;16 Ruta : in ruta_array ;17 Modo_in : in s t d _ l o g i c ;18 Circui to_Via : in s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_CV−1 downto 0) ;19 Semaforos_in : in s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_SM−1 downto 0) ;20 Maquina_N : in s t d _ l o g i c ;21 Maquina_R : in s t d _ l o g i c ;22 PaN_Bajo : in s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_PaN−1 downto 0) ;23 PaN_Alto : in s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_PaN−1 downto 0) ;24 −−Semaforos : out SEMAFORO;25 Semaforos : out s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_SM−1 downto 0) ;26 Maquina : out s t d _ l o g i c ;27 PaN : out s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_PaN−1 downto 0)28 ) ;29 end component ;30 . . .31 begin32 . . .33 CVS : process34 begin35 wait f o r delay ;36 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC1 ) ) <= OCUPADO;37 wait f o r 2∗delay ;38 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC3 ) ) <= OCUPADO;39 wait f o r 2∗delay ;40 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC1 ) ) <= LIBRE ;41 wait f o r 2∗delay ;42 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC5 ) ) <= OCUPADO;43 . . .44 wait f o r 2∗delay ;45 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC7 ) ) <= LIBRE ;46 wait f o r 2∗delay ;47 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC11 ) ) <= OCUPADO;48 wait f o r 2∗delay ;49 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC9 ) ) <= LIBRE ;50 wait f o r 2∗delay ;51 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC11 ) ) <= LIBRE ;52 wait f o r 5∗delay ;53 . . .54 wait f o r 5500 ns ;55 end process CVS ;56

57 DUT: FSM_Belgrano58 port map(59 Clock => Clock_tb ,60 Reset => Reset_tb ,61 Ruta => Ruta_tb ,62 Modo_in => Modo_in_tb ,63 Circui to_Via => Circui to_Via_tb ,64 Semaforos_in => Semaforos_in_tb ,65 Maquina_N => Maquina_N_tb ,66 Maquina_R => Maquina_R_tb ,67 PaN_Bajo => PaN_Bajo_tb ,68 PaN_Alto => PaN_Alto_tb ,69 Semaforos => Semaforos_tb ,70 Maquina => Maquina_tb ,71 PaN => PaN_tb72 ) ;73 end ;74

ALGORITMO 4.3: Testbench de modo automático



Luego de simular el sistema con el testbench descripto en la sección 4.3 se analizóel estado del señalamiento ante la presencia de una formación que circula porla vía ascendente de un extremo al otro del trayecto. Se simuló la ocupación detodos los circuitos de vías ascendentes de forma sucesiva, siempre teniendo unaformación ocupando uno o dos circuitos de vía, llegando al final del trayectoocupando uno solo, como se puede ver en la Figura 4.9.

FIGURA 4.9: Ocupación de circuitos de vías ascendentes

Los semáforos van describiendo una estela detrás de la formación, como puedeverse en la Figura 4.10, al ocupar el circuito de vía 5 y 7 al mismo tiempo se tienenlos semáforos 1,3 y 5 en aspecto rojo (triple recubrimiento). En cuanto se desocupael circuito de vía 5 y la formación pasa a estar enteramente contenida en el circuitode vía 7 el semáforo 1 pasa a un aspecto amarillo (doble recubrimiento) que es lasecuencia mas común vista detrás de una formación (rojo, rojo, amarillo).

FIGURA 4.10: Ocupación del circuito de vía 5+7 - Semáforos

En la Figura 4.11 se puede ver que a la par de que la formación ’circula’ por lavía ascendente los pasos a nivel van pasando a estado de peligro en el orden enque la formación alcanza dos circuitos de vía antes y van siendo liberados tanpronto libera dos circuitos de vías hacia adelante. En ningún caso se han tenidocruces libres ante el paso del tren ni mucho menos cruces a peligro en ausenciade formación cercana.

4.4. Validación del cambio de modo Página 49 de 59

FIGURA 4.11: Secuencia de ocupación - Pasos a nivel

La máquina de cambios siempre se encuentra en posición ’normal’(’0’), así comolos semáforos de cambios mantienen su aspecto rojo(’11’), producto de la prohi-bición de operar los cambios en modo automático (Figura 4.12).

FIGURA 4.12: Máquina de cambios y señalamiento de maniobra

Pruebas similares se hicieron en la ruta descendente con iguales resultados. Ade-más puede comprobarse que no interfieren entre sí ambos trayectos al ser parale-los y por lo tanto independientes.

4.4. Validación del cambio de modo

Una de las entradas mas críticas del sistema de enclavamiento es la correspon-diente al cambio de modalidad dado que permite cambiar el criterio de funciona-miento de todo el sistema. Esto ocurre porque uno es un modo restrictivo asistien-do por un operario (semiautomático) y el otro mucho mas permisivo que admitemayores frecuencias (automático).

Para verificar el correcto funcionamiento de la conmutación entre modos se modi-ficó el banco de pruebas del modo semiautomático, incluyendo cambios bruscosde modo entre los pedidos de rutas. Se busca comprobar que la transición norepercute negativamente en la seguridad y que la señalización responde correc-tamente a los cambios pedidos.


4.4.1. Testbench de cambio de modo

Se generó el Algoritmo 4.4 para simular la presencia de una formación recorrien-do los tramos de vías en orden ascendente o descendente a la vez que el operadorva alternando los modos de funcionamiento.



7 e n t i t y Automatico_tb i s8 end ;9

10 a r c h i t e c t u r e Automatico_tb_arq of Automatico_tb i s11 −− Parte d e c l a r a t i v a12 component FSM_Belgrano i s13 gener ic ( N_CV: nat ur a l := 1 2 ; N_SM: na tur a l := 1 1 ; N_PaN :

na tu ra l := 3 ; N_rutas : n a tu ra l := 13 ) ;14 port (15 Clock , Reset : in s t d _ l o g i c ;16 Ruta : in ruta_array ;17 Modo_in : in s t d _ l o g i c ;18 Circui to_Via : in s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_CV−1 downto 0) ;19 Semaforos_in : in s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_SM−1 downto 0) ;20 Maquina_N : in s t d _ l o g i c ;21 Maquina_R : in s t d _ l o g i c ;22 PaN_Bajo : in s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_PaN−1 downto 0) ;23 PaN_Alto : in s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_PaN−1 downto 0) ;24 −−Semaforos : out SEMAFORO;25 Semaforos : out s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_SM−1 downto 0) ;26 Maquina : out s t d _ l o g i c ;27 PaN : out s t d _ l o g i c _ v e c t o r (N_PaN−1 downto 0)28 ) ;29 end component ;30 . . .31 begin32 . . .33 CVS : process34 begin35 wait f o r 5∗delay ;36 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC1 ) ) <= OCUPADO;37 wait f o r delay ;38 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC1 ) ) <= LIBRE ;39 wait f o r 2∗delay ;40 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC5 ) ) <= OCUPADO;41 wait f o r delay ;42 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC5 ) ) <= LIBRE ;43 wait f o r 2∗delay ;44 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC7 ) ) <= OCUPADO;45 wait f o r delay ;46 . . .47 wait f o r 2∗delay ;48 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC4 ) ) <= OCUPADO;49 wait f o r delay ;50 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC4 ) ) <= LIBRE ;51 wait f o r 2∗delay ;52 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC9 ) ) <= OCUPADO;53 wait f o r delay ;54 Cir cu i to _Via_ tb ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC9 ) ) <= LIBRE ;55 wait f o r 2∗delay ;


56 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC6 ) ) <= OCUPADO;57 wait f o r delay ;58 Cir cu i to_ Via_ t b ( c i r c u i t o s _ t ’ pos ( CIRC6 ) ) <= LIBRE ;59 wait f o r 2000 ns ;60 end process CVS ;61

62 RUTAS_gen : process63 begin64 wait f o r delay ;65 Ruta_tb ( 0 ) <= 1 ;66 wait f o r 3∗delay ;67 Ruta_tb ( 0 ) <= 2 ;68 wait f o r 3∗delay ;69 Ruta_tb ( 0 ) <= 3 ;70 wait f o r 3∗delay ;71 Ruta_tb ( 0 ) <= 4 ;72 Modo_in_tb <= AUTOMATICO;73 wait f o r 3∗delay ;74 Ruta_tb ( 0 ) <= 5 ;75 wait f o r 3∗delay ;76 Ruta_tb ( 0 ) <= 0 ;77 Ruta_tb ( 1 ) <= 6 ;78 wait f o r 3∗delay ;79 Ruta_tb ( 1 ) <= 7 ;80 Modo_in_tb <= SEMIAUTOMATICO;81 wait f o r 3∗delay ;82 Ruta_tb ( 1 ) <= 8 ;83 wait f o r 3∗delay ;84 Ruta_tb ( 1 ) <= 9 ;85 wait f o r 3∗delay ;86 Ruta_tb ( 0 ) <= 1 0 ;87 Ruta_tb ( 1 ) <= 1 0 ;88 wait f o r 3∗delay ;89 Ruta_tb ( 0 ) <= 1 1 ;90 Ruta_tb ( 1 ) <= 1 1 ;91 wait f o r 3∗delay ;92 Ruta_tb ( 0 ) <= 0 ;93 Ruta_tb ( 1 ) <= 0 ;94 wait f o r 2000 ns ;95 end process RUTAS_gen ;96

ALGORITMO 4.4: Testbench de cambio de modo


Luego de simular el sistema con el testbench descripto en la sección 4.4 se anali-zará la transición entre ambas modalidades de funcionamiento.

En la Figura 4.13 se forzó el cambio a modo automático al instante de solicitarla ruta 4, por lo que esta última no fue validada por el sistema. Al cambiar demodo tanto la máquina de cambios, que es altamente crítica, como los semáforosy pasos a nivel atraviesan la transición sin problemas.


FIGURA 4.13: Cambio de modo semiautomático a automático yseñalamiento

Durante el modo automático (modo ’1’) todos los pedidos de rutas ascendentesposteriores a la ruta 3 son ignorados, el operario no tiene control de las decisionesque tome del sistema de enclavamientos. El señalamiento se adecua rápidamentea la nueva modalidad pasando todos los semáforos a verde y rápidamente gene-rando el doble recubrimiento(’01’, ’00’, ’00’ en los estados de los semáforos 1, 3y 5) al detectar la ocupación de las vías por parte de la formación circulante. Deigual forma los pasos a nivel permanecen levantados hasta que se detectan lasformaciones y descienden según sea requerido por el sistema.

Al volver al modo semiautomático (modo ’0’) , mucho mas restrictivo, los semá-foros pasan a aspecto rojo y los pasos a nivel pasan a peligro (Figura 4.14). Los se-máforos correspondientes a la vía descendente comienzan a cambiar sus estadosconforme las rutas descendentes se van solicitando al sistema de enclavamientos.

FIGURA 4.14: Cambio de modo automático a semiautomático yseñalamiento

En la Figura 4.15 se puede ver que ante cada solicitud de rutas, el sistema deenclavamiento comprueba el estado de los circuitos de vías y habilita o no lasmismas, como debe ocurrir en esta modalidad. Las rutas descendentes de la 7 enadelante y las de cambio (10 y 11) se suceden con normalidad.


FIGURA 4.15: Ruta 10 - Cambio de vías y señalamiento de manio-bra

La prueba se considera exitosa ya que el cambio de modo mas riesgoso, de semi-automático a automático, no posee ningún estado inseguro durante la transición,así como tampoco ocurren indeterminaciones en la operación opuesta de modoautomático a semiautomático.

55

Capítulo 5

Conclusiones

En este capítulo se presentan las conclusiones obtenidas, los logros alcanzados ylas dificultades encontradas. Además de un resumen de los elementos del pro-yecto que no se incluyeron en la memoria y se dejaron para la etapa de Maestría.

5.1. Resultados obtenidos

A lo largo de todo el proyecto se han visitado una gran cantidad de lugares cla-ves del ámbito ferroviario (estaciones, talleres, oficinas, áreas de pruebas, etc), seha conocido a decenas de profesionales del área que con sus diversos grados deconocimientos y experiencias en el área han sabido aportar cada uno su piezapara éste rompecabezas, que sumado al conocimiento adquirido a lo largo de laEspecialización en Sistemas Embebidos se construyó con el esfuerzo propio y laayuda de los integrantes del CONICET-GICSAFe.

El proyecto inicialmente comenzó cómo una idea abstracta y ambiciosa que fueevolucionando y adquiriendo mayor definición conforme avanzaban las entre-vistas con los diversos actores que en el día a día comandan las instalaciones fe-rroviarias. A la par de otros proyectos de GICSAFe, todos esos vínculos rindieronfrutos de manera vertiginosa los últimos dos bimestres del año cuando se deter-minó cuál sería finalmente el sitio de aplicación del sistema de enclavamientos.

Fue sumamente importante para el éxito del proyecto el poder adaptar continua-mente el trabajo a los diversos cambios de metas y alcances a los que fue someti-do, a la par que se esclarecían los conceptos sobre el tema y se abordaban nuevasy mejores funcionalidades para el sistema. De no haber tenido una planificacióntan dinámica y flexible ante los imprevistos no se habría podido alcanzar la metaplanteada.

Los conocimientos en el área de las FPGAs sirvieron enormemente para materiali-zar los diseños planteados, aunque fue necesario un tiempo extra de maduraciónde los conceptos de VHDL y semanas de práctica al no tener una experienciaprevia en el tema.

El haber trabajado en conjunto en otros proyectos de CONICET-GICSAFe a lapar del desarrollo del sistema de enclavamientos permitió tomar consciencia de laimportancia real del mismo como sistema crítico y abre las puertas a una segundaetapa próxima a iniciarse durante el 2019 en la Maestría de Sistemas Embebidos.

En el transcurso del proyecto se han alcanzado los siguientes logros:

Rediseño del señalamiento de la estación Belgrano R.

Página 56 de 59 Capítulo 5. Conclusiones

Diseño de la funcionalidad semiautomática.

Diseño de la funcionalidad automática.

Implementación en VHDL del sistema diseñado.

Elaboración de un diseño replicable en otras estaciones de la red ferroviarianacional.

Desarrollo del primer sistema ferroviario crítico en el marco del CONICET-GICSAFe.

5.2. Próximos pasos

La planificación del proyecto contempló desde un inicio que sería un trabajo dedos años a ser realizado en conjunto entre la Especialización y la Maestría deSistemas Embebidos. Por lo tanto se mencionan a continuación los pasos a seguirpara el próximo tramo de la carrera.

Analizar los datos obtenidos en Belgrano R con el monitor a ser instalado.

Implementación del sistema de enclavamientos en el kit de desarrollo FPGA.

Integración de la interfaz de Python con el kit de desarrollo FPGA.

Integración de una pantalla para que interactúe el operario.

Integración de las dos modalidades de uso con una misma arquitectura.

Formalización matemática de la tabla de enclavamientos para automatizarel diseño en futuras estaciones ferroviarias a ser actualizadas.

Elaboración de un análisis formal del sistema de enclavamientos para redesferroviarias arbitrarias.

Aplicación de técnicas de redundancia por votación para aumentar la segu-ridad del sistema.

Obtención de los parámetros RAMS alcanzados para obtener el grado SILnecesario.

A la par con el diseño del sistema de enclavamiento en VHDL, CONICET-GICSAFeha avanzado en otras ramas del proyecto, que no se han profundizado en la me-moria pero se resumirán a continuación:

Se encuentra lista una modificación del hardware del Monitor de BarrerasAutomáticas (DIMBA) para ser instalado en Belgrano R y obtener datos entiempo real del sistema de enclavamientos.

Se encuentra en desarrollo una adaptación del firmware del Monitor deBarreras Automáticas (DIMBA) para obtener las señales en tiempo real yser enviadas a un servidor en la nube para su posterior análisis.

Se encuentra en fase beta un desarrollo en Python para simular el sistemade enclavamientos ante el ingreso de formaciones.

Se encuentra en fase beta una interfaz desarrollada en Python para que eloperario interactúe con el sistema de enclavamientos.

5.2. Próximos pasos Página 57 de 59

Se encuentra en fase beta un script de Octave para generar código VHDLpara sistema de enclavamientos.

Se encuentra en fase beta un script de Octave para testear el modelo mate-mático del sistema de enclavamiento.

59

Bibliografía

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[7] Asociación Española de Normalización (UNE). UNE-EN 50129:2005.Disponible: 2005-03-16. 2005. URL:https://www.une.org/encuentra-tu-norma/busca-tu-norma/norma.

[8] CONICET-GICSAFE. Grupo de Investigación y Control para la Seguridad yAplicaciones Ferroviarias. Disponible: 2018-11-28. 2018. URL:www.conicet-gicsafe.com.ar.

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[13] Rufino Olay. Safety Critical Applications. Ed. por MicrosemiIndustrial Business Manager. 2012.

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