Admin

МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ И ДИАГНОСТИКИ МСУД-015

Микропроцессорная система управления и диагностики МСУД-015 предназначена для управления аппаратурой электровозных цепей, тяговым приводом одно-, двух-, трех- и четырехсекционных электровозов, в том числе работающих по системе многих единиц. Система МСУД-015 электровоза типа ЭС5К «Ермак» обеспечивает расширенные функции диагностирования оборудования электровоза и реализацию поосного управления тяговыми электродвигателями (ТЭД), в том числе в режиме тяги с независимым возбуждением ТЭД.


МСУД-015 обеспечивает управление тяговым электроприводом и оборудованием в следующих режимах:

• «Ручное регулирование»;
• «Авторегулирование»;
• диагностика, контроль и управление аппаратами и оборудованием (в соответствии с согласованным ОАО «РЖД» «Перечнем диагностируемых параметров электровоза 2ЭС5К (ЗЭС5К) с расширенной системой бортовой диагностики состояния оборудования и дистанционной передачей данных в депо»);
• отключение неисправного оборудования на секциях электровозов от виртуального пульта управления на блоке индикации;
• обмен информацией между блоками и устройствами системы управления по последовательным каналам связи;
• отображение на дисплее информации о режимах движения и диагностических сообщений;
• взаимодействие с комплексной подсистемой безопасности.

В режиме «Ручное регулирование» система МСУД-015 обеспечивает работу тягового электропривода и оборудования одно-, двух-, трех- и четырехсекционных электровозов тока без автоматического поддержания заданных параметров с выполнением следующих функций:

• ввод информации о состоянии аналоговых и дискретных задатчиков режимов от пульта машиниста в блоки и устройства управления для ее логической обработки;
• ввод информации о состоянии аналоговых, частотных и дискретных датчиков оборудования электровоза в блоки и устройства управления для ее дальнейшей логической обработки;
• плавное четырехзонное фазовое регулирование по сигналам заданий от пульта машиниста и выдача импульса;
• выдача дискретных команд управления электрооборудованием электровоза импульсных сигналов управления тиристорами ВИУ, ВУВ, в режимах тяги и электрического (рекуперативного) торможения;
• формирование сигналов углов открытия тиристоров, ограничение фазы углов в соответствии с режимом работы тягового привода;
• регулирование инвертора в режиме рекуперативного торможения на постоянство угла запаса;
• питание датчиков системы.

В режиме «Авторегулирование» система МСУД-015 обеспечивает работу тягового электропривода и электрооборудования одно-, двух-, трех- и четырехсекционных электровозов с автоматическим поддержанием заданных параметров.
В тяговом и тормозном режимах МСУД-015 обеспечивает:

• выполнение всех функций, выполняемых при ручном регилировании;
• плавное регулирование задаваемой величины силы тяги, торможения и скорости;
• ограничение скорости нарастания тягового и тормозного усилия электровоза на уровне 30 — 40 кН/с (для неаварийных режимов);
• защитные функции при перегрузках в силовых цепях и скорости нарастания тока якорей свыше 10ОО А/с.

В тяговом режиме система МСУД-015 также обеспечивает:

• поддержание заданной машинистом силы тяги в пределах ограничений по мощности до достижения заданной скорости с последующим ее поддержанием (при отсутствии ускорения движения за счет уклона пути);
• ограничение тока тяговых двигателей при достижении максимально допустимого значения;
• ограничение по коммутации тяговых двигателей при независимом возбуждении;
• защиту от боксования;
• управление тяговым оборудованием электровоза при осуществлении переходов в режиме тяги с последовательного возбуждения на независимое (и наоборот), а также переход в режим рекуперации.

В режиме рекуперативного торможения система МСУД-015 обеспечивает:

• ввод электровоза в режим электрического торможения при постановке рукоятки контроллера машиниста в тормозное положение;
• режим предварительного подтормаживания;
• поддержание заданной машинистом тормозной силы с учетом ограничений тормозной характеристики до достижения заданной скорости с последующим ее поддержанием (на спусках);
• торможение противовключением тяговых двигателей на первой зоне регулирования до полной остановки;
• ограничение тока якорей тяговых двигателей при достижении максимально допустимого значения 1200 ± 50 А;
• ограничение тока возбуждения тяговых двигателей при достижении максимально допустимого значения 1150 ± 50 А;
• выравнивание нагрузок тяговых двигателей;
• защиту от юза;
• ограничение по коммутации тяговых двигателей;
• ограничение тормозного усилия электровоза (не более 500 кН).

Для контроля и управления всем оборудованием электровоза независимо от режимов движения система МСУД-015 должна обеспечивать выполнение следующих функций:

• автоматический контроль состояния агрегатов и оборудования электровоза, включая главный выключатель, вспомогательные машины, токоприемники, аппараты защиты;
• автоматическое управление оборудованием электровоза, включая главный выключатель, вспомогательные машины, аппараты защиты, контакторы переключения с последовательного возбуждения на независимое (и наоборот) и другие агрегаты;
• вывод на дисплей сообщений о состоянии оборудования и агрегатов по запросу машиниста;
• вывод на дисплей сообщений об отказе оборудования с приоритетным сообщением информации без запроса машиниста;
• вывод информации о состоянии и отказах оборудования и агрегатов в энергонезависимое запоминающее устройство.

Устройство и работа системы МСУД-015. Структурная схема системы МСУД-015 головной секции электровоза 2(3)ЭС5К приведена на рис. 4.
В состав системы МСУД-015 головной секции электровоза входят:

• блок управления БУ-006 АРКИ.656363.006 (А2);
• блок управления БУ-006-01 АРКИ.656363.006-01 (АЗ);
• блок индикации (БИ) типа ВС3742 фирмы GERSYS (А78);
• блок сигнализации БС-008 АРКИ.656122.008 (А23).

Блоки управления БУ-006 и БУ-006-01 предназначены для выполнения арифметических, логических операций, обработки сигналов датчиков, формирования и усиления управляющих сигналов и контроля обмена информацией между составными частями системы МСУД-015.


Блок индикации БИ служит для вывода машинисту графической и звуковой информации о заданных и истинных величинах, контролируемых параметрах, состоянии оборудования и системы
управления, режиме работы оборудования и т.д., а также ввода команд с многофункциональной клавиатуры.
Блок сигнализации БС-008 предназначен для визуального отображения (при помощи светодиодных индикаторов) обобщенной информации о состоянии оборудования электровоза.
По дублированному каналу CAN1/ CAN2 обеспечивается обмен информацией между блоками управления БУ-006 (А2), БУ-006-01 (АЗ) и блоком сигнализации БС-008 (А23) головной секции. Дублированный канал CAN3/CAN4 обеспечивает обмен информацией между блоками управления БУ-006 (А2), блоками индикации БИ (А78), блоками регистрации и передачи данных БРПД-003 (А28) подсистемы беспроводной передачи данных, расположенной в головных секциях электровоза (в том числе электровозов, соединенных по системе многих единиц).
Помимо отмеченных системных последовательных каналов связи, к блоку
БУ-006 (А2) головной секции подключаются следующие интеллектуальные устройства:

• при помощи последовательного канала CAN5 к разъемному соединителю Х22 подключается блок диагностики выпрямительно-инверторной установки ВИУ-4000-2М (U1);
• при помощи последовательного канала CAN6 к разъемному соединителю Х23 подключается блок расширителя каналов ШЛЮЗ-CAN А103 комплексного локомотивного устройства безопасности КЛУБ;
• при помощи последовательного канала CAN7 к разъемному соединителю Х24 возможно подключение блока диагностики модернизированного шкафа питания БПЦУ (А25) или других устройств (в настоящее время не реализовано).
• Последовательный канал CAN8 головной секции блока БУ-006 (А2) находится в резерве.
• К блоку БУ-006-01 (АЗ) головной секции подключаются следующие интеллектуальные устройства:
• при помощи последовательного канала CAN9 к разъемному соединителю Х22 подключается блок диагностики выпрямительно-инверторной установки ВИУ-4000-2М (U2);
• О при помощи последовательного канала CAN 14 к разъемному соединителю Х25 подключается блок температурного контроля А152 (БТК-003) подсистемы температурного контроля.

Последовательные каналы CAN 10 — CAN13 блока БУ-006-01 (АЗ) головной секции находятся в резерве.
Структурная схема системы МСУД-015 бустерной секции электровоза ЗЭС5К приведена на рис. 5.
В состав системы МСУД-015 бустерной секции входят:

• блок управления БУ-006 АРКИ.656363.006 (А2);
• блок управления БУ-006-01 АРКИ.656363.006-01 (АЗ).

По дублированному каналу CAN!/ CAN2 обеспечивается обмен информацией между блоками управления БУ-006 (А2) и БУ-006-01 (АЗ) бустерной секции.
Дублированный канал CAN3/CAN4 обеспечивает обмен информацией между блоками управления БУ-006 (А2) бустерной секции и блоками А2, расположенными в головных секциях электровоза (в том числе электровозов, соединенных по системе многих единиц).
К блоку БУ-006 (А2) бустерной секции подключаются следующие интеллектуальные устройства:

• при помощи последовательного канала CAN5 к разъемному соединителю Х22 подключается блок диагностики выпрямительно-инверторной установки ВИУ-4000-2М(Ш);
  
• при помощи последовательного канала CAN7 к разъемному соединителю Х24 возможно подключение блока диагностики модернизированного шкафа питания БПЦУ (А25) или других устройств (в настоящее время не реализовано).
• Последовательные каналы CAN6 и CAN8 блока БУ-006 (А2) бустерной секции находятся в резерве.
• К блоку БУ-006-01 (АЗ) бустерной секции подключаются следующие интеллектуальные устройства:
• при помощи последовательного канала CAN9 к разъемному соединителю Х22 подключается блок диагностики выпрямительно-инверторной установки ВИУ-4000-2М (U2);
• при помощи последовательного канала CAN14 к разъемному соединителю Х25 подключается блок температурного контроля А152 (БТК-003) подсистемы температурного контроля.

Последовательные каналы CAN10 — CAN13 блока БУ-006-01 (АЗ) бустерной секции находятся в резерве.
Подключение оборудования к МСУД-015. Блоки БУ-006 и БУ-006-01 имеют в своем составе два одинаковых микропроцессорных контроллера МПК1 и МПК2, один из которых находится в работе, другой — в резерве. Структурная схема МПК1 (МПК2) с внешними связями головной секции электровоза к системе МСУД-015 приведена на рис. 6.
Блок входных сигналов БВС-О56 содержит формирователи:

• сигнала слежения за потенциальными условиями открытия тиристоров а0;
• полярности полупериода, сфази-рованного с первой гармоникой напряжения на входах ВИУ;
• сигнала блокировки Блк, информирующего процессор БМК-055 о переходных процессах в устройстве синхронизации;
• элементов выделения уровня напряжения контактной сети UKC;
• сигнала, пропорционального длительности коммутации в силовых цепях у.

На плате БВС-056 располагаются два комплекта устройств обработки сигналов датчиков и формирователей перечисленных сигналов, соответственно, для МПК1 и МПК2, поэтому в блоке БУ-006 (БУ-006-01) применен только один съемный блок.
Входы БВС-056 подключаются к датчикам напряжения ДН, формирующим сигналы слежения за потенциальными условиями Ucn1 и UCJ12 и сигналы синхронизации UCkl1 и UCM2. В качестве датчиков напряжения использованы трансформаторы ТР-135 (датчики слежения) и ТО-89 (датчики синхронизации).

Алгоритм, записанный в постоянной памяти БМК-055, реализует замкнутую систему автоматического регулирования. Входы схемы обработки сигналов длительности коммутации Uy1 — Uy4 блока БВС-056 в цепях выпрямительно-инверторных преобразователей U1, U2 подключаются к датчикам угла коммутации ДУК. В качестве ДУК использованы датчики типа ДУК-4-01.
Аналоговые сигналы от задатчиков контроллера машиниста (скорости V3 и тока 13), датчиков тока 1Я1 — 1Я4,1в, 1м (типа LT1OOO), датчиков напряжения U1 — U4, Uc (типа LV100), датчиков напряжения U0B1 — U0B4 (типа DVL50), датчиков давления РТМ, РТЦ (тип ADZ-SML-10.2) преобразуются на нагрузочных резисторах блоков аналоговых сигналов БАС-088 БУ-006 и БАС-089 БУ-006-01 из токовой формы в потенциальную, усиливаются до необходимого уровня и передаются на входы АЦП БМК-055. Здесь же находится узел согласования датчика тока со стрелочным прибором, расположенным на пульте управления.
Блок микропроцессорного контроллера БМК-055 реализован на однокристальном микроконтроллере типа ST10F269Z2Q3, который выполняет всю логическую обработку и вычислительные операции программными методами в соответствии с хранящимся в постоянной памяти контроллера алгоритмом.
В соответствии с заложенным алгоритмом по сигналам от задатчиков и датчиков системы рассчитываются и формируются импульсы, управляющие силовыми преобразователями.
Эту функцию выполняет система автоматического регулирования (САР), поддерживая заданную скорость и ток (силу тяги или торможения).


Сформированные в процессоре БМК-055 импульсы через блоки БВУ-047, содержащие импульсные усилители с гальванической развязкой цепей выходных сигналов от цепей микроконтроллера и элементы согласования с внешними устройствами, передаются на ВИУ, ВУВ и панели ШТ.
Для реализации поосного управления импульсы открытия тиристоров второго канала ВИУ формируются в БИВ-065, который связан с БМК-055 последовательным каналом CAN1/CAN2.
Для задания режима работы, контроля состояния оборудования и схемы режима электровоза, а также формирования сигналов управления контакторами ослабления поля, песочницами и т.д., в состав МПК1 (МПК2) входят блоки ввода/вывода дискретных сигналов БВВ-057. Данные блоки обеспечивают стыковку БУ-006 (БУ-006-01) с оборудованием электровоза, работающего с уровнем напряжения бортовой сети 50 В, и гальваническую развязку цепей микроконтроллера от бортовой сети. БМК-055 связаны с блоками ввода/вывода БВВ-057 посредством последовательного канала связи типа SPI.
Блок питания БП-060-01 обеспечивает питающими напряжениями внутренние цепи блока БУ-006 (БУ-006-01) и питание аналоговых датчиков, подключенных к МСУД-015. Он содержит также датчик температуры, от которого осуществляются управление каналом включения элементов подогрева БО-ООЗ при низких температурах окружающего воздуха.
Выходные каскады БВУ-047 питаются от бортового источника 50 В через модуль питания, расположенный на БВУ-047. Питание выходных каскадов БИВ-065 осуществляется от модуля питания, расположенного на блоке БВУ-047.
Информация о температуре основного оборудования электровоза МСУД-015 получает от подсистемы температурного контроля, включающей в свой состав блок А152 (БТК-003), по последовательному каналу CAN 14 блока АЗ (БУ-006-01).
Информацию о температуре нагрева тяговых двигателей МСУД-015 определяет по информации о падении напряжения на компенсационной обмотке КО и обмотке дополнительных полюсов ДП (U0B = UK0 + идп) и току, протекающему через тяговый двигатель. По полученным значениям вычисляется сопротивление и далее в зависимости от величины этого сопротивления определяется температура нагрева.
Структурная схема подключения основного оборудования бустерной секции электровоза к МСУД-015 показана на рис. 7. Схема подключения основного оборудования бустерной секции электровоза к МСУД-015 выполнена аналогично структурной схеме головной секции.
Так как в бустерной секции отсутствует кабина машиниста, из схемы, показанной на рис. 7, исключены блоки индикации и сигнализации, цепи управления стрелочными приборами, размещаемыми на пульте машиниста, подсистема регистрации и передачи данных, а, следовательно, и связь с этой системой по последовательному CAN-интерфейсу. Ввиду отсутствия на бустерной секции системы безопасности, связь с ней по CAN-интерфейсу также отсутствует.
Функционирование МСУД-015 в тяговом режиме с последовательным возбуждением ТЭД. Функциональная схема замкнутой системы авторегулирования тяговым приводом ведущей головной секции электровоза 2(3)ЭС5К в тяговом режиме с последовательным возбуждением ТЭД показана на рис. 8.

Функциональная схема замкнутой системы авторегулирования тяговым приводом ведомой головной или бустерной секции отличается от приведенной на рис. 8 отсутствием связи с КМЭ. Функцию «ведущего» выполняет активный МПК блока управления АЗ (БУ-006), расположенного в первой по ходу головной секции электровоза независимо от конфигурации локомотива (2ЭС5К, ЗЭС5К или двух электровозов, объединенных по системе многих единиц).
Значения заданных величин скорости V3 и ограничения тока 13 от контроллера машиниста электровоза КМЭ подаются на входы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) БМК-055 МПК1 или МПК2, где преобразуются в коды для дальнейшего использования программой.

На входы АЦП блока А2 от датчиков тока ДТ первой тележки через БАС-088 поступают значения токов ТЭД1 и ТЭД2 (И, 12) и напряжений (U1, U2).
Сигналы от импульсных датчиков скорости ДС (nl, п2) заводятся на входы таймеров БМК-055 блока А2, где вычисляется реальная скорость перемещения локомотива.
От датчиков напряжения, включенных на входах ВИУ (U1 и U2), сигналы синхронизации иси и слежения 11сл заводятся на съемные блоки БВС-056, где формируются сигналы полярности полупериода и сигнал начального открытия тиристоров а0. Причем, сигналы синхронизации (п/п) формируются из напряжения, контролируемого на входе того ВИУ, которым ведется управление (А2 — U1, АЗ — U2). Сигналы напряжения слежения подаются на оба блока управления. Из этих сигналов на элементах ИЛИ-min, расположенных на съемном блоке БВС-056, формируются сигналы а0. На входы АЦП блока АЗ от датчиков тока ДТ второй тележки через БАС-089 поступают значения токов ТЭДЗ и ТЭД4 (I3,14) и напряжений (U3, U4).
Сигналы от импульсных датчиков скорости ДС (пЗ, п4) заводятся на входы таймеров БМК-055 блока АЗ, где вычисляется реальная скорость перемещения локомотива.


На основании заданных и реальных значений токов и скоростей в соответствии с заложенным алгоритмом вычисляются значения фаз открытия тиристоров, которые распределяются по плечам ВИУ в зависимости от зоны регулирования. Алгоритм управления тяговым приводом является универсальным для «ведущего» и «ведомого» режимов работы МПК.
Алгоритм формирования управляющих тиристорами ВИУ циклический: после пуска он повторяется каждые 10 мс с привязкой к фазе и частоте питающей ВИУ сети. После пуска происходит обмен информацией между абонентами сети (включенными блоками управления) и вводится информация от КМЭ и датчиков, подключенных к системе. На основании полученной информации контролируется состояние оборудования (диагностика текущего состояния) и по положению главной рукоятки КМЭ выполняются следующие действия:

• если КМЭ в положении «0», программно происходит начальная инициализация, в ходе которой собирается схема режима «Тяга — последовательное возбуждение ТЭД», формируются начальные углы открытия тиристоров, которые распределяются по плечам ВИУ, соответствующим первой зоне регулирования;
• при переводе главной рукоятки КМЭ в положение «П» или «ПТ» вводятся величина задания и положение главного вала «Тяга» или «Рекуперация».

В режиме тяги анализируется задание схемы включения обмоток возбуждения ТЭД. При выявлении задания последовательного возбуждения анализируется, собрана ли схема; при отрицательном результате (например, при переходе из режима рекуперативного торможения в тягу) выдается команда на сбор схемы. Если схема не собрана, то выполняется программа инициализации. После того как схема режима собрана, определяется статус данного МПК «ведущий» или «ведомый».
Если МПК является «ведущим», то он программно реализует двухконтурную систему автоматического регулирования (САР). Внешним для САР электровоза является контур регулирования скорости, внутренним — контур регулирования токов тяговых электродвигателей:

• по информации от датчиков скорости определяется величина ее минимального значения Vmin;
• вычисляется рассогласование AV междуу™пиУ3;
• по величине AV по пропорционально-интегральному закону, программно реализующему «регулятор скорости», вычисляется задание 1рс для контура регулирования тока.

На основании анализа заданного значения тока от КМЭ !3 выполняется ограничение вычисленного в контуре скорости задания контуру регулирования тока lpp При выполнении неравенства lpc > 13 заданием для контура тока является величина 13. Величина 1рт является заданием для всех МПК, включенных в систему посредством передачи ее через последовательные CAN-интерфейсы во все блоки А2 ведомых секций (бустерной и второй головной по межсекционному CAN3/ CAN4) и АЗ (БУ-006-01) ведущей секции по внутрисекционному каналу связи CAN1/ CAN2. Задание на блоки АЗ ведомых секций передается по внутрисекционным каналам связи CAN1/CAN2 от А2 соответствующих секций.
Независимо от того, является МПК «ведущим» или «ведомым», он программно реализует одноконтурную САР. Заданием для контура тока принимается величина 1РТ, принятая по каналу связи или вычисленная в контуре скорости «ведущего» МПК. В зависимости от условий работы локомотива процессор «ведущего» МПК может корректировать задания для различных секций электровоза, а также в пределах секции между осями.
По информации от датчиков тока определяется величина максимального значения контура тока 1тах> вычисляется рассогласование Д1 между 1тах и 1рр по величине Д1 по пропорционально-интегральному закону, реализующему регулятор тока, вычисляется регулирующее воздействие ар.

Вычисленное регулирующее воздействие ар ограничивается по а0 или а0з и распределяется по плечам ВИУ. В качестве виртуальных плеч ВИУ выступают регистры блоков «захват/сравнение» микроконтроллера БМК-055, настроенные на режим сравнения. В блоках «захват/ сравнение» микроконтроллера происходит преобразование кода фазы угла в реальные импульсы al.1 — al.8, сфази-рованные с напряжением сети питающей ВИУ.

Сформированные импульсы для первого моста через выходные усилители БВУ-047 передаются на рейку зажимов Х9 преобразователя U1. Для управления тиристорами второго моста преобразователя U1 процессор МПК передает величину ар через последовательный канал связи CAN1/CAN2 на съемный блок БИВ-065. На БИВ-065 установлен процессор, который, приняв величину ар, корректирует в соответствии с заложенным алгоритмом — ограничивает по а0 или а0з и загружает в регистры «захват/сравнение». Сформированные в регистрах «захват/ сравнение» импульсы а2.1 — а2.8 усиливаются ключами на БИВ-065 и передаются на рейку зажимов Х12 U1.
Аналогичным образом по принятому по каналам связи от ведущего МПК 1рт происходит формирование управляющих импульсов а3.1 — а3.8 и а4.1 — а4.8 преобразователей U2 в блоке АЗ (БУ-006-01) всех секций и блоках А2 (al.1 — a1.8 и a2.1 — a2.8) ведомых секций для преобразователей U1.
Углы открытия тиристоров ВИУ определяют величину напряжения Ud, прикладываемого к ТЭД. Величина приложенного к ТЭД напряжения определяет протекающие через последовательно включенные обмотки возбуждения и якоря ТЭД токи, а, следовательно, скорости вращения якорей и скорость движения локомотива.
После выполнения описанных вычислений процессор выполняет фоновые подпрограммы (например, осуществляет диагностику оборудования электровоза, ожидает прихода очередного фронта сигнала (п/п) и повторяет весь цикл вычислений).
(Окончание следует)

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК / Ищем редактора на сайт