Admin

АСУ с функцией безопасности для электровоза 2ЭС6

Канд. техн, наук В.И. ГОЛОВИН, ООО «Научно-производственное объединение САУТ», г. Екатеринбург,
д-р техн, наук В.С. НАГОВИЦЫН, инж. А.Л. ЦЙПП

В 2016 г. специалисты Научно-производственного объединения САУТ совместно с работниками машиностроительного предприятия «Уральские локомотивы» и сотрудниками отраслевого научно-исследовательского и проектно-конструкторского института НИИАС на основании технических требований разработали и изготовили опытный образец микропроцессорной системы управления с функцией безопасности движения (МПСУ-БД) для электровоза 2ЭС6. Целью создания данной системы является реализация возможности автоматизированного управления движением локомотива и автоматическим торможением поезда с безусловным обеспечением выполнения требований безопасности движения.


При разработке комплекса МПСУ-БД существующие системы управления (МПСУиД), безопасности (БЛОК-М) и передачи данных (СВЛ-ТР) рассматривались не как отдельно функционирующие, а как единая оптимизированная система обеспечения безопасности движения, управления ведением и пневматическим торможением поезда. Взаимная интеграция существующих систем позволила исключить дублирование выполняемых функций однотипными приборами, обеспечить использование единого информационного поля, осуществить резервирование вывода информации для машиниста.

В результате достигнуто снижение стоимости одного комплекта системы, повышена ее функциональность, упрощены эксплуатация и техническое обслуживание компонентов. Комплекс МПСУ-БД выполнен с открытой архитектурой, что позволяет, изменив количество блоков, их подключение и программное обеспечение, использовать на различных типах подвижного состава. В 2017 г. была выпущена установочная партия аппаратуры для новой системы, которой оборудовали электровозы 2ЭС6 № 680 — 684.

Система управления с функцией безопасности МПСУ-БД также обеспечивает реализацию энергосберегающих режимов автоматизированного ведения поезда. Служебное торможение применяется как для выполнения предупреждений ограничения скорости, так и для остановки поезда перед запрещающим сигналом. Для этого каждой из подсистем (управления, безопасности и передачи данных) обеспечивается доступ к общей информации, чтобы ее использовать при реализации собственных функций, а также функций системы в целом. Исключен ручной ввод одинаковых настроечных данных для каждой подсистемы в отдельности.

Создано единое устройство для сохранения диагностической и поездной информации, электронных карт пути и баз данных. Формат хранимой информации удобен для обработки клиентскими программными модулями. Предусмотрено резервирование каналов вывода поездной информации, а также параметров, отражающих функционирование ответственных и контролируемых модулей системы.

В процессе разработки системы МПСУ-БД специалисты детально проанализировали характеристики и функции существующих модулей систем управления МПСУиД и безопасности БЛОК-М, чтобы обеспечить реализацию задач интегрированной системы с минимальным комплектом бортовой аппаратуры. В частности, было принято решение часть модулей (как программных, так и аппаратных), хорошо зарекомендовавших себя в составе систем МПСУиД и САУТ-ЦМ/485, комплексах БЛОК и БЛОК-М, удовлетворяющих требованиям функционирования системы МПСУ-БД, применить без изменений.
В комплект системы управления МПСУ-БД, наделенной функцией безопасности движения, входят универсальные модули (применительно к электровозу 2ЭС6):

❖ датчик пути и скорости ДПС-У-05 (рис. 1) — универсальный датчик угла поворота, предназначен для преобразования угла поворота оси колесной пары в пропорциональное количество электрических импульсов;

❖ блок связи БС-ДПС-БЗС/M-CAN (рис. 2) — служит для обработки сигналов, поступающих от датчиков угла поворота ДПС-У-05. Блок формирует данные о пройденном пути, текущей скорости движения, ускорении, выявлении скольжения/боксо-вания колесных пар и передает их в интерфейсную линию связи. Также обеспечивает трансляцию импульсов от датчиков на тележках электровоза одновременно для двух (пяти) систем-потребителей. Блок связи обеспечивает гальваническую развязку между системами-потребителями и датчиками ДПС-У-05. Ведутся контроль и фиксация работоспособности датчиков с выдачей сигнала «Исправность» для систем-потребителей и на индикацию;

❖ блок Д-ЛБПП (рис. 3) — локомотивный динамик для воспроизведения речевых и звуковых сообщений машинисту по командам аппаратуры МПСУ-БД;

❖ блок ИП-ЛЭ (рис. 4) — источник электропитания локомотивной электронной аппаратуры ИП-ЛЭ-110/50-400x2, служит для преобразования напряжения бортовой сети с номинальным значением 110 В (UBX) в стабилизированное напряжение постоянного тока с номинальным значением 50 В (UBb|x), а также для защиты электронной аппаратуры от перенапряжений;

❖ блок ТСКБМ-КП (рис. 5) — блок телемеханической системы контроля бодрствования машиниста, обеспечивающий контроль физиологического состояния машиниста (объединяет приемник и контроллер в одном устройстве);

❖ катушки КП-РС (рис. 6) — приемные катушки рельсовых сигналов АЛСН, АЛС-ЕН (в диапазоне низких частот НЧ) и сигналов напольных генераторов САУТ (в диапазоне высоких частот ВЧ);

❖ модуль МСС (рис. 7) — модуль сигналов локомотивного светофора, предназначенный для индикации сигналов АЛСН и АЛС-ЕН машинисту и его помощнику;

❖ радиоантенны (рис. 8) — служат для приема сигналов навигационных систем ГЛОНАСС и GPS, а также для приема и передачи радиосигналов стандартов GSM-R/GSM900;

❖ ЭПК (рис. 9) — электропневматиче-ский клапан автостопа ЭПК (соответствующей модификации);

❖ КОН (рис. 10) — блок контроля несанкционированного отключения ЭПК;
❖ ЭПК 266-1 (рис. 11) — электропневма-тический клапан экстренного торможения дистанционного управления;

❖ РБ, РБС, РБП (рис. 12) — рукоятки бдительности РБ-80 (отдельно для машиниста, специальная и для помощника машиниста).


Комплект системы управления с функцией системы безопасности движения содержит модули МПСУиД, входящие в подсистему управления:

♦ блок БЦВ (рис. 13) — блок центрального вычислителя, предназначенный для обеспечения взаимодействия блоков, входящих в состав подсистемы (в том числе обмена данными между отдельными блоками системы МПСУиД в одной секции локомотива по двум последовательным каналам передачи данных стандарта RS-485). Блок служит также для обмена данными между отдельными секциями по двум последовательным дифференциальным линиям связи; определения количества и ориентации секций в сцепе; питания блоков управления контакторами БУК с возможностью при необходимости автоматического отключения питания их каналов; сигнализации светодиодами о работе трех каналов БЦВ. Кроме того, блок выдает управляющие команды на исполнительные блоки, основываясь на полученную по линиям связи информацию в соответствии с установленным алгоритмом, записывает в энергонезависимую память полученную и выдаваемую по линиям связи информацию;

♦ блокБСП (рис. 14) — блок связи с пультом управления электровоза, осуществляющий прием и обработку сигналов, поступающих от органов управления электровозом, обеспечивающий информационный обмен данными по интерфейсу RS-485;

♦ блок БУВ-2 (рис. 15) — блок управления возбуждением, обеспечивающий прием данных от датчиков ПНКВ по линиям связи системы измерения и передачу их в блок БЦВ, выдачу импульсов для управления тиристорным выпрямителем БВК 1012А. Блок также обрабатывает данные для защиты от боксования и поддержания заданной мощности тяговых двигателей при установленных пределах ограничения тока и напряжения;

♦ блок БУК (рис. 16) — блок управления контакторами, осуществляющий управление электромагнитными и электропнев-матическими контакторами электровоза в соответствии с управляющими сигналами, поступающими по линии связи от контроллера машиниста;

♦ блок УУБК-М2 (рис. 17) — устройство управления быстродействующими контакторами, предназначенное для измерения значений токов якорей тяговых электродвигателей и формирования импульса отключения быстродействующего контактора защиты;

♦ блок БВС (рис. 18) — блок входных сигналов, обеспечивающий прием дискретных сигналов, поступающих от цепей управления электровоза, и передачи обработанных сигналов в две линии связи по интерфейсу RS-485;

♦ блок БС-СИ-2 (рис. 19) — блок связи со средствами системы измерения, функции которого — обработка информации, поступающей от измерительной аппаратуры, и передача ее в систему управления локомотивом;

♦ модуль ДН-2 (рис. 20) — делитель напряжения, предназначенный для уменьшения уровня входного напряжения постоян-ного тока пропорционально коэффициенту передачи и дальнейшего использования данных в системе измерения;

♦ модуль ПНКВ (рис. 21) — преобразователь напряжения, осуществляющий преобразование напряжения постоянного тока в последовательный код и передачу результата по линии связи RS-485;

♦ модуль МГМ-3 (рис. 22) — мегомметр, с помощью которого измеряется величина сопротивления изоляции и передается ее значение в систему диагностики по линии связи RS-485;

♦ модуль БС-ДД-1 (рис. 23) — блок связи с датчиками давления, обеспечивающий преобразование напряжений с датчиков давления сжатого воздуха в цифровой код и передачу его в аппаратуру МПСУиД по двум парам линии связи RS-485, а также измерение сопротивления изоляции цепей управления относительно корпуса подвижного состава;

♦ блок БПЛ RS485-RS485 (рис. 24) — блок-преобразователь линий, осуществляющий обмен данными двух гальванически развязанных линий RS-485 с двумя другими гальванически развязанными линиями RS-485;

♦ блок БПЛ RS485-Ethernet (RJ45) (рис. 25) — блок-преобразователь линий двух гальванически развязанных линий RS-485 в две гальванически развязанные линии Ethernet;

♦ блок Ethernet (RJ45) (рис. 26) — коммутатор Ethernet, предназначенный для соединения нескольких узлов сети Ethernet в пределах одного или нескольких сегмен-тов сети при работе на канальном (втором) уровне модели OSI и передачи данных непосредственно получателю. При этом обеспечивается необходимая производительность и безопасность сети, освобождаются остальные ее сегменты от необходимости обрабатывать данные, которые им не предназначаются;

♦ блок БПЛ RS-485-CAN (рис. 27) — блок-преобразователь линий, обеспечивающий обмен данными между двумя гальванически развязанными линиями RS-485 и двумя гальванически развязанными линиями CAN;

♦ блок «Монитор 5» (рис. 28) — локомотивный монитор системы МПСУиД. Служит для отображения информации о работе системы управления, полученной по двум линиям связи RS-485, для индикации параметров ведения поезда, диагностической информации системы управления, обмена информации по одной линии связи RS-485 или по CAN-линии, обеспечения связи с другими системами по CAN-линии, а также с другими системами по Ethernet-линии (для монитора 5.1, в котором реализована функция автоведения, предназначенная для задания режимов в системы управления локомотивом).


Модули комплекса безопасности движения БЛОК и БЛОК-М образуют подсистему безопасности и содержат:

- БС-СН/БЛОК (рис. 29) — блок связи со съемным носителем информации, с помощью которого съемный носитель информации CH/БЛОК подключается к CAN-линии системы;

- CH/БЛОК (рис. 30) — съемный носитель информации, обеспечивающий регистрацию, хранение, прием и передачу информации в CAN-интерфейсе в соответствии с протоколом обмена;

- блок УБ (рис. 31) — узел безопасности, который формирует значения допустимой и целевой скоростей движения, управляет ЭПК по безопасной схеме, а также блоком КОН и ЭПК 266-1. Кроме того, блок УБ формирует однократные и периодические проверки бдительности, команды управления пневматическим служебным торможением и отключением тяги, прием и обработку сигнала положения ключа ЭПК, регистрацию контролируемых параметров работы комплекса и поездных параметров во внутреннюю встроенную память, работу с навигационным радиоканалом формата GPS и ГЛОНАСС;

- блок «Шлюз-CAN» (рис. 32) — обеспечивает подключение внутренней шины CAN подсистемы безопасности к общесистемной локомотивной шине CAN-BUS, реализует функции интерфейсной и гальванической развязки;
- модуль МВ (рис. 33) — модуль ввода данных, который служит для безопасного ручного ввода поездных и локомотивных параметров в подсистемы управления и безопасности, а также для контроля положений рукояток бдительности машиниста РБ, РБС и РБП;

- блок АЛС-ТКС (рис. 34) — блок с ячейками ПТК, МП-АЛС и РС-АЛС для обработки сигналов АЛСН и САУТ на подвижном составе, эксплуатирующемся на участках с автоматической и полуавтоматической блокировкой. Как в поездном, так и маневровом режимах принимает и обрабатывает сигналы от АЛСН, АЛС-ЕН и точечных каналов связи САУТ-ЦМ/НСП, поступающих от катушек КП-PC. Блок передает обработанную информацию в CAN-интерфейс и в линию связи RS-485, а также осуществляет регистрацию принятых сигналов АЛСН, АЛС-ЕН и ведёт запись обмена информацией по внутренней шине CAN подсистемы безопасности;

- блок «Монитор 7.1» (рис. 35) — локомотивный монитор, предназначенный для отображения на экране дисплея информации, связанной с движением и управлением автоматическим торможением поезда.

Также осуществляет контроль вводимых данных в подсистему безопасности и обеспечивает обмен данными по CAN-линии.

На пульте управления электровозом 2ЭС6, в центральной или периферийной информационной зоне рабочего места машиниста, устанавливается комплект из двух мониторов «Монитор 5» и одного «Монитор 7.1» (рис. 36).

Функции, выполняемые системным шкафом CLU комплекса БЛОК, в МПСУ-БД распределены между блоками УБ (узлом безопасности) и АЛС-ТКС (блоком обработки сигналов АЛСН, САУТ). Отдельные модули, не удовлетворяющие требованиям функционирования системы МПСУ-БД, модернизированы. В рамках выполняемой работы создано защищенное интегрированное программное обеспечение и оптимизирована система передачи данных. Особое внимание при разработке МПСУ-БД было уделено системе вывода и отображения информации (звуковой, речевой и визуальной) для машиниста.

В реализации проекта системы МПСУ-БД электровозов 2ЭС6 принимали участие постоянные партнеры НПО САУТ — отечественные предприятия и научные центры, имеющие многолетний опыт создания систем управления и безопасности для железнодорожного транспорта. Заказчики аппаратуры МПСУиД и БЛОК-М, а также авторы алгоритма МПСУ — специалисты предприятия «Уральские локомотивы». Головной разработчик систем безопасности БЛОК и БЛОК-М — научно-исследовательский институт НИИАС.

Специалисты компании «ТрансИнфо-Проект» создали цифровую технологическую радиосвязь СВЛ-ТР и поставили модули СВЛ-ТР с криптозащитой, предприятие «НЕЙРОКОМ» — систему ТСКБ-М. Научно-производственное объединение САУТ является разработчиком системы безопасности БЛОК-М и поставщиком комплекса МПСУиД. В результате совместной работы большой группы ученых и специалистов были найдены необходимые технические решения, создана единая система управления и обеспечения безопасности движения электровоза 2ЭС6 (рис. 37).

Анализ работы микропроцессорных систем управления и безопасности показывает, что количество сбоев программного обеспечения значительно превышает количество отказов аппаратной части. Поэтому в зависимости от зоны ответственности и степени влияния на надежность всего комплекса управления и безопасности движения приняты различные кратности резервирования:

* четырехкратная — вычислительная часть подсистемы безопасности по схеме горячего резервирования двух дублированных полукомплектов (четыре вычислительных ядра);

* трехкратная — центральный вычислитель (БЦВ) и ввод ответственной информации (БСП, джойстик);

* двукратная — устройства отображения информации (мониторы), ввода-вывода информации (БВС, БУК), линии связи (RS-485);

* однократная — система автоведения и отдельные датчики.

При необходимости дополнительное резервирование может быть обеспечено посредством информации, получаемой от других секций локомотива и прочих бортовых систем.


Отработка технических решений, настройка программного обеспечения, моделирование различных поездных и нестандартных ситуаций выполнена на лабораторном макете пульта управления электровозом с системой МПСУ-БД, созданном разработчиками.

Уже при монтаже оборудования и обкатке аппаратной и программной частей МПСУ-БД был отмечен ряд преимуществ, положительно отличающих интегрированную систему от примененных ранее самостоятельных систем управления и обеспечения безопасности движения, в том числе: сокращение общего числа блоков (модулей);

И повышение надежности системы;

применение единой базы данных параметров движения и ведения поезда с возможностью ее обновления перед поездкой с единого сменного носителя информации;

- унификация системы передачи данных;
- замена отдельных модулей путем совмещения их функций на интеллектуальном уровне;

- создание условий для работы машиниста без помощника (в одно лицо) и автоматизации ведения поезда;

возможность автоматического определения плотности и целостности тормозной магистрали поезда (с определением длины тормозной системы);

снижение суммарной стоимости системы;

- локализация производства модулей системы.

С учетом требований программы импортозамещения был осуществлён переход на использование отечественных микроконтроллеров, которые изготавливает АО «ПКК Миландр», а также модулей питания и преобразователей напряжения российского производства.

Выполненные в 2017 г. эксплуатационные и сертификационные испытания микропроцессорной системы МПСУ-БД на электровозах 2ЭС6 подтвердили правильность выбранных технических и конструкторских решений, которые эффективно обеспечивают безопасность движения и реализуют энергосберегающие режимы автоматизированного ведения поезда.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК