АСУ локомотивом: функция управления электропередачей
В журналах “Локомотив” Ns 8 за 1998 г. и Ns 1 за 1999 г. была представлена автоматизированная система управления и обеспечения безопасности тягового подвижного состава (АСУБ “Локомотив”), разработанная и внедренная на тепловозе ТЭП70-316 специалистами Научно-исследовательского института тепловозов и путевых машин (ВНИТИ). Опытную эксплуатацию тепловоз проходит в депо Санкт-Петербург-Варшавский Октябрьской дороги. В публикуемой статье более подробно освещается функция управления электропередачей системы АСУБ “Локомотив”.
Как отмечалось в предыдущих статьях, программа управления, заложенная в центральный блок управления (ЦБУ), выполнена на языке “Pascal 7.0". Это позволяет реализовать практически любой известный алгоритм управления. Затем этот алгоритм можно оперативно заменять в зависимости от рода выполняемой работы. В основу выполнения рассматриваемой функции положен алгоритм управления электропередачей. Данный алгоритм используется в фирменных цифровых устройствах, разработанных отделом электропередач ВНИТИ, и характеризуется рационально щадящим режимом нагружения дизель-генератора, суть которого заключается в нормировании роста напряжения.
Такими устройствами с 1989 по 1996 гг. было оснащено более 30 тепловозов серий 2ТЭ116, ТЭМ7, 2ТЭ10УТ и 2ТЭ121, которые успешно эксплуатируются в ряде депо железных дорог России и Украины. Этот же алгоритм управления применили для тепловозов 2ТЭ116 (№ 1429, 1514, 1515 и др.) с микропроцессорной системой управления МСКУ-1 и электродинамическим тормозом.
Цифровые устройства обеспечивают повышенную устойчивость к бок- сованию. Это, во-первых, уменьшает безвозвратные потери энергии в контакте колеса и рельса, способствуя
сбережению дизельного топлива. Во- вторых, сокращается расход песка, благодаря чему снижается износ бандажей (особенно подрез гребней). В-третьих, плавное нарастание нагрузки генератора позволяет работать дизелю с большей величиной избытка воздуха, что, в свою очередь, улучшает техническое состояние дизелей (в частности, уменьшает образование нагара в выпускном тракте, особенно у двухтактного дизеля). Все эти преимущества подтверждаются практикой эксплуатации тепловозов.
Для выполнения функции управления электропередачей используется комплект датчиков: контроля напряжения и тока (ИН1, ИТ, ИТ1—ИТ7), давления наддувочного воздуха (ДД), частоты вращения коленчатого вала дизеля (ДЧВ), линейных перемещений (ДР), которые изображены на рис. 1. Чтобы изменять ток возбуждения тягового генератора, в ЦБУ задействован модуль системы импульсно-фазового управления (СИФУ). С целью синхронизации работы модуля вводится сигнал от обмотки трансформатора ТР1.
Функция обеспечивает работу электропередачи в режимах тяги и электродинамического тормоза. В режиме тяги одним из основных требований, предъявляемых к электропередаче, является полное использование мощности дизеля. Для осуществления данного требования, в отличие от предшествующих разработок, в которых использовался индуктивный датчик гидромеханического регулятора, применяется датчик линейных перемещений. Он служит измерителем выхода рейки топливных насосов высокого давления дизеля.
Компьютер, используя сигналы датчиков, выполняет несколько последовательных действий. По измеренному значению числа оборотов он рассчитывает требуемую величину выхода рейки топливных насосов (рис. 2),
сравнивает полученную величину с допустимым значением, определяемым из величины давления наддувочного воздуха в ресивере дизеля (рис. 3) и выбирает наименьшее значение. На основе выбора изменяет ток возбуждения генератора (а, следовательно, и отбираемой от дизеля мощности) таким образом, чтобы измеренное и расчетное значения выхода рейки совпали.
При регулировании мощности учитываются величина тока генератора и частота вращения, которая определяет скорость изменения напряжения генератора. Результатом этих действий является формирование гиперболической части внешней характеристики генератора (рис. 4). В области малых токов напряжение ограничивается программной установкой.
Для адаптации алгоритма управления к особенностям пассажирского движения был введен нелинейный усилитель рассогласования сигнала рейки, который позволяет реализовать уже перечисленные преимущества алгоритма при последовательном наборе позиций контроллера машиниста с выдержкой времени на каждую около 2 с и в то же время значительно ускорить рост мощности тягового генератора при быстром наборе позиций. Такое дополнение позволяет значительно уменьшить время выхода дизель-генератора на требуемую мощность при работе с режима выбега.
Функция выделяет максимальный и минимальный токи шести тяговых двигателей. Одновременно учитывается количество отключенных электродвигателей. Это требуется для ограничения максимального тока генератора. При обнаружении компьютером тока тягового двигателя, превышающего максимально допустимое, положение рейки, а, следовательно, и мощность не поддерживаются. В этом случае напряжение снижается исходя из величины отклонения тока от заданного.
Следующее требование — защита от боксования. Она осуществляется таким образом. В случае обнаружения разности максимального и минимального токов около 5 %, компьютер останавливает рост напряжения тягового генератора, создавая этим условия для самоуспокоения и предотвращения развития боксования. В неблагоприятных условиях при дальнейшем увеличении разности токов компьютер плавно уменьшает напряжение тягового генератора до тех пор, пока токи не выровняются, т.е. пока не восстановится сцепление колеса с рельсом.
В режиме электродинамического тормоза функция реализована следующим образом. Аналогично принципу формирования внешних характеристик обеспечивается поддержание тормозной силы, только вместо сигнала датчика линейных перемещений используется величина тормозной силы. Она рассчитывается с использованием электромеханических характеристик, исходя из величины среднего значения токов якорей и возбуждения тяговых двигателей.
В аварийных ситуациях превышения допустимых значений токов и напряжений во всех режимах в функцию управления тепловозом компьютер передает команду на разборку схемы, а также формирует сообщение. Например, при обрыве цепи третьего тягового двигателя компьютер формирует аварийное сообщение “Обрыв ТЭДЗ”. При превышении допустимого тока возбуждения или тока якоря тягового двигателя в режиме ЭДТ формируются соответствующие сообщения “Нет ограничения возбуждения ТЭД”, “Нет ограничения тока якоря ТЭД” и др.
Как уже подчеркивалось, система не нуждается в регулировке, но для диагностики работы, а также облегчения понимания процессов регулирования был разработан специальный диагностический кадр. В нем отражены все режимы и параметры тяговой электропередачи. Кадр состоит из ряда колонок, данные в которых обновляются каждую секунду. Первая содержит название, вторая — величину измеряемого параметра, третья — отклонение от номинального значения в данном режиме, четвертая — оценку, т.е. соответствует ли данное отклонение норме.
В диагностическом кадре отражены также режимы работы тепловоза (“Тяга”, “ЭДТ”, “Запуск”, “Останов” и др.), номер позиции, информация о состоянии контакторов возбуждения (КШ1, КШ2). Изображение диагностического кадра и сведения, которые могут содержаться в строках, представлены на рис. 5. При устойчивой работе электропередачи во всех строках колонки “Примечание” индицируются слова “Норма".
Аппаратура, созданная ведущим научным сотрудником нашего института В.И. Харитоновым, обладает чрезвычайно большими техническими возможностями. Прекрасным примером этому является разработанная программистом-системщиком Ю.Н. Набатчиковым служебная функция регистрации параметров, благодаря которой процесс отладки прикладных программ на объекте ускоряется по сравнению с методами, использующими запись на шлейфовый осциллограф, в десятки раз.
Запись регистрируемых параметров производится на жесткий диск компьютера ЦБУ и оперативно выводится на отладочный дисплей. Имеется возможность изменять масштабы времени и амплитуды при просмотре. Осциллограмма, демонстрирующая работу электропередачи во всех режимах, показана на рис. 6. Запись выполнена в опытной поездке с грузовым составом массой 1700 т.
О.М. КОТОВ,
старший научный сотрудник отдела
“Микропроцессорные системы
управления” ВНИТИ
Почта
