Admin

Микропроцессорная система управления и диагностики электровоза 2ЭС6 «СИНАРА»

И.А. ОСИНЦЕВ, преподаватель Тайгинского подразделения Западно-Сибирского учебного центра профессиональных квалификаций

Микропроцессорная система управления и диагностики (МПСУиД) электровоза 2ЭС6 «Синара» выполняет функции управления всеми основными системами и оборудованием локомотива по командам, получаемым с пульта управления, на основании сигналов, принимаемых от датчиков.
Основой системы МПСУиД (рис. 1) является центральный процессор, к которому подключены устройства постоянной и оперативной памяти, порты ввода-вывода. В постоянной памяти записана программа работы процессора, в соответствии с которой он принимает данные с портов ввода. На основе этой информации в соответствии с заданной программой процессор производит логические действия.

В результате выдаются управляющие сигналы и информация, которые выводятся на определенных индикаторах и мониторах, а также поступают в аппаратуру и оборудование. Процессор использует данные, хранящиеся в постоянной и оперативной памяти.
С внешними объектами процессор обменивается информационными и управляющими сигналами через порты ввода и вывода по интерфейсным шинам, которые передают и принимают информацию по определенным протоколам.
Микропроцессорная система МПСУиД выполняет следующие функции:

1. автоматизированное управление системами электровоза в режиме «Ручное регулирование» по командам с пульта управления (ПУ-Эл) и сигналам, получаемым отдатчиков и аппаратов;
2. автоматизированное управление в режиме «Авторегулирование» с учетом профиля пути, времени хода, постоянных и временных ограничений, скорости движения и сигналов светофора;
3. контроль за состоянием оборудования и агрегатов;
4. диагностику оборудования и аппаратов.

В состав МПСУиД входят:

1. микропроцессорная система управления локомотивом (МСУЛ-А);
2. подсистема аналоговых измерений (подсистема СИ);
3. подсистема автоведения (подсистема А);
4. подсистема диагностики (подсистема Д).

Система МСУЛ-А обеспечивает:

• разгон электровоза до заданной скорости с возможностью последующего автоматического поддержания скорости в диапазонах, определяемых тяговыми характеристиками локомотива;
• плавное изменение силы тяги в режиме независимого возбуждения тяговых двигателей;
• электрическое торможение до заданной скорости с возможностью последующего автоматического поддержания скорости на спусках;
• плавное изменение силы торможения;
• защиту от боксования и юза;
• регулирование частоты вращения вентиляторов охлаждения тяговых электродвигателей (ТЭД) в зависимости от токовой нагрузки; ограничение величины тока и его скорости нарастания в якорях ТЭД;
• регулирование и ограничение тока возбуждения ТЭД;
• контроль процессов, протекающих при управлении электровозом, отображение его результатов на мониторе и выдачу голосовой информации;
• дублирование основных функций по двухканальной линии связи;
• запись в энергонезависимую память параметров функционирования для последующей расшифровки на действия машиниста по управлению электровозом, состояния машиниста и состояния системы.

В каждой секции электровоза 2ЭС6 устанавливается комплект МПСУиД (рис. 2). Взаимодействие между секциями электровоза осуществляется по межкузовной линии связи. Микропроцессорная система управления и диагностики имеет многоуровневую структуру.


Первый уровень МПСУиД включает в себя блоки противо-боксовочной защиты (БЗС-ПБС), связи с преобразователем (БС ПСН), связи с системой измерения (БС-СИ). Подсистема СИ предназначена для ввода в МСУЛ-А аналоговых сигналов (о токах и напряжениях в силовой цепи электровоза) от преобразователей напряжения в код (ПНКВ-1), мегаомметров МГМ-1 (о величине сопротивления изоляции ТЭД) и передачи получаемой информации через БС-СИ в каждый из двух каналов линии связи RS-485 МСУЛ-А.
Подсистема СИ (рис. 3) включает в себя:

• блок связи со средствами измерения (БС-СИ);
• преобразователи напряжения в код «ПНКВ-1 -1 А»;
• делители напряжения (ДН);
• блок связи с датчиками давления (БС-ДД);
• измерительный преобразователь давления ДД-И-1,00-0 или датчик избыточного давления ДДИ-1 (выполнены на базе датчика давления ДД);
• измеритель сопротивления изоляции МГМ-1 (АВМЮ.411212.001).

Блок БС-СИ обеспечивает прием данных по линии связи со средствами измерения, а также преобразование и передачу преобразованных данных в две линии связи RS-485.
Блок ПНКВ-1 предназначен для измерительного преобразования входных напряжений в кодовый сигнал и передачи его по линии связи RS-485 через БС-СИ в МСУЛ-А.
Блок МГМ-1 обеспечивает измерение сопротивления изоляции между обмотками и корпусом ТЭД при номинальном рабочем напряжении контактной сети и отображение на встроенном цифровом индикаторе полученных значений сопротивления изоляции, испытательного напряжения, тока утечки, а также для преобразования измеренных величин в кодовый сигнал и передачи его по линии связи RS-485 через БС-СИ в МСУЛ-А.
Датчик напряжения ДН-4 проводит преобразование высоковольтного входного напряжения до 4 кВ в напряжение до 75 мВ для дальнейшего его использования в системе измерения.
Датчики ДД предназначены для преобразования давления сжатого воздуха в электрический сигнал. Используются взаимозаменяемые датчики двух типов — измерительный преобразователь давления ДД-И-1,00-01 и датчик избыточного давления ДДИ-1.
Блок связи БС-ДД осуществляет прием аналоговых сигналов от датчиков ДД и преобразование их в последовательный код, измерение сопротивления изоляции цепей управления, не соединенных с корпусом электровоза, передачу преобразованных данных по двум линиям связи RS-485 в МСУЛ-А.
Второй уровень включает в себя основную часть МПСУиД — микропроцессорную систему МСУЛ-А, которая обобщает поступающую информацию и вырабатывает управляющие сигналы. В состав системы МСУЛ-А (рис. 4) входят:

• блок центрального вычислителя (БЦВ);
• блок связи с пультом управления электровозом (БСП);
• блок управления контакторами (БУК-3);
• блок входных сигналов (БВС);
• комплект мониторного блока, в том числе монитор, клавиатура (на базе клавиатуры 84S-DD-014) и кабель;
• пульт управления (ПУ-МСУЛ);
• источник питания (ИП-ЛЭ).

Блок БЦВ осуществляет:

1. организацию обмена информацией между отдельными блоками системы в секции локомотива по двум последовательным каналам в стандарте RS-485;
2. организацию обмена данными между отдельными секциями локомотива по двум последовательным дифференциальным линиям связи;
3. определение числа и ориентации секций в сцепе;
4. подачу питания к блокам БУК с возможностью его автоматического отключения при необходимости;
5. сигнализацию на светодиодах о работе трех каналов БЦВ;
6. на основании полученной по линиям связи информации в соответствии с заложенным алгоритмом выдачу управляющих команд на исполнительные блоки.

БлокБСП предназначен для обработки сигналов, поступающих от органов управления электровозом, передачи обработанных сигналов в линии связи МСУЛ-А, обеспечения информационного обмена между МСУЛ-А и системами САУТ-ЦМ/485, КЛУБ-У, СВЛ ТР, подсистемами СИ, А, Д, ПСН, а также другими системами, собранными на интерфейсе CAN 2.0. Все элементы БСП, включая две платы источников электропитания, установлены на одной многослойной плате. С целью обеспечения резервирования и достоверности передаваемых данных в БСП предусмотрены три параллельных канала обработки информации. Каждый из каналов выполнен на основе микроконтроллера типа Atmega64.
Блок БВС предназначен для приема сигналов, поступающих от цепей управления, и передачи обработанных сигналов в линии связи МСУЛ-А. Блок состоит из двух идентичных каналов, что позволяет обеспечить его работоспособность в случае отказа любого из них. Он способен обрабатывать 16 сигналов (работает с двумя каналами связи RS-485).
Блок БУК-3 предназначен для управления электромагнитными и электропневматическими контакторами электровоза в соответствии с управляющими сигналами, поступающими через линии связи МСУЛ-А. Он состоит из двух идентичных каналов.
На третьем у ровне находятся подсистемы автоведения (АВ), диагностирования (Д), система взаимодействия с локомотивом (СВЛ). Сюда же могут быть подключены и другие системы (по требованию заказчика).
Для информационной связи подсистем 2-го и 3-го уровней применен интерфейс CAN 2.0. В обмене используются макрокоманды доступа к управлению отдельными элементами.

Связи в системе 2-го уровня и ее связи с подсистемами 1-го уровня обеспечивает сдвоенный (с резервированием) интерфейс RS-485. В каждой линии связи присутствует информация от трех каналов МСУЛ-А. Каждая подсистема подключается к интерфейсу не более чем одним приемопередатчиком для каждой линии.
Для связи между элементами в подсистемах СИ, ПСН и ПБЗ используется интерфейс RS-485, в системе СВЛ — CAN 2.0. С целью обеспечения надежности главные узлы МСУЛ-А выполнены трехканальными.
Система МСУЛ-А принимает информацию от подсистем 3-го уровня, органов управления, подсистем СИ и ПБЗ, цепей управления электровоза и выбирает управляющее воздействие на аппараты электровоза и подсистему авторегулирования. В процессе работы МСУЛ-А производит диагностику устройств своего уровня и непосредственно связанных с ними цепей электровоза, а также заносит в энергонезависимую память данные о функционировании устройств 2-го уровня.

В системе МСУЛ-А используется оперативная информация, связанная непосредственно с управлением электровозом (цикл обмена 50 — 100 мс), и сервисная информация (связанная, например, с измерением сопротивления изоляции в высоковольтных и низковольтных цепях, расходом электроэнергии и т.д.). Цикл обмена составляет 1 с и более.
От цепей управления электровоза в МСУЛ-А поступает информация в виде входных дискретных и аналоговых сигналов: дискретные сигналы — с пульта управления и аппаратов электровоза, аналоговые — от подсистемы СИ. Пороговое значение напряжения входных дискретных сигналов составляет (25 ± 10) В.
Система МСУЛ-А осуществляет:

• ♦ управление электровозом, посылая управляющие выходные сигналы на его аппараты в соответствии с заложенным алгоритмом работы (максимальное напряжение выходного сигнала 130 В);
• ♦ запись параметров функционирования электровоза в энергонезависимую память;
• ♦ выдачу голосовых сообщений на динамик в кабине машиниста.

Каждому из блоков ВВС и БУК задан идентификационный адрес, что позволяет распознавать конкретный блок при обращении по линии связи. Адресу соответствует определенный набор перемычек, устанавливаемых в разъеме подключаемого к блоку кабеля связи. Каждому из однотипных блоков присваивается условный номер (например БВС № 1, БКУ № 3). Имеется соответствующий набор адресных перемычек в разъемах кабеля линии связи, подключаемого к блокам МГМ-1, СКВТ-М и ПНКВ-1, входящим в подсистему СИ.
После включения питания возможна самодиагностика МСУЛ-А. Система МСУЛ-А организует запуск вспомогательного оборудования электровоза, поддерживает требуемые параметры функционирования, обеспечивает реализацию тяговых и тормозных сил.
Система МСУЛ-А производит:

1. автоматический набор до выхода на ходовую позицию таким образом, чтобы после переключения позиции не была превышена заданная сила тяги или электрического торможения;
2. поддержание заданной силы тяги на ходовой позиции изменением тока возбуждения;
3. увеличение (уменьшение) заданной силы тяги при наборе или сбросе позиций;
4. переход в режим выбега без разбора силовой схемы при силе тяги, равной нулю;
5. автоматический переход в режим выбега с разбором силовой схемы после движения в течение 1 мин с заданной силой тяги, равной нулю;
6. остановку автоматического набора позиций в случае превышения заданного максимального тока в цепях ТЭД и продолжение его после снижения тока;
7. автоматический сброс позиций при перегрузке ТЭД в течение заданного временного интервала;
8. запрет набора позиций при перегрузке ТЭД;
9. защиту пусковых резисторов от перегрева автоматическим сбросом позиций через заданное время;
10. сбор силовой схемы после окончания выбега при скорости более 5 км/ч с одновременным заданием требуемой силы тяги (в зависимости от скорости и напряжения в контактной сети собирается схема на ходовой позиции соответствующего соединения ТЭД).

Блоки БСП и БЦВ выполнены трехканальными. Каждый канал подключен к обоим каналам линии связи, по которым обмен данными между блоками МСУЛ-А осуществляется циклически, поочередно для каждого из трех каналов с общим периодом около 150 мс (три канала по 50 мс). При использовании информации, полученной по линии связи, каждый блок системы МСУЛ-А производит выбор из трех каналов по мажоритарному принципу. При исправной линии связи обмен данными между блоками системы осуществляется по двум линиям со сдвигом циклов в них на 50 — 100 мс, что позволяет получать достоверную (идентичную в двух каналах) информацию с задержкой, не превышающей 50 мс. В случае отказа одного из кана
лов линии связи время задержки увеличивается, но не превышает 100 мс. Для связи отдельных секций электровоза используется двухканальная линия связи, аналогичная интерфейсу RS-485, но с напряжением, увеличенным до 12 В.
Максимальное возможное число секций электровоза, управляемых МСУЛ-А, равно восьми. Время задержки информации управления составляет около 40 мс, а информации сигнализации — около 120 мс. В случае отказа одного из каналов линии связи время задержки распространения информации увеличивается в 2 раза.
На мониторы выводится полная информация, полученная по обеим линиям связи RS-485, о состоянии цепей управления, силовой схемы электровоза, о готовности к работе МСУЛ-А и диагностируемых параметрах. К левому монитору подключены система автоведения и система информирования машиниста. На пульте управления установлены две клавиатуры, каждая из которых соответствует определенному монитору.


На электровозах с традиционным аналоговым (релейным) управлением последовательность включения аппаратов определялась механическими блокировочными контактами. Блокировочные контакты одного аппарата, как правило, устанавливались в цепь питания катушки другого. Таким образом осуществлялась зависимость функционирования одного аппарата от действий другого. При этом основную роль играла электрическая схема цепей управления.
Электровоз 2ЭС6 «Синара», относящийся к электровозам переходного периода, оснащен многочисленными высоковольтными коммутационными аппаратами. Их функционирование в зависимости друг от друга, как, собственно, и управление ими, реализованы с помощью выходных транзисторных ключей микропроцессорной системы управления. В цепь катушки каждого аппарата со стороны «минуса» введен выходной транзисторный ключ, который обеспечивает подключение катушки к питанию только по заданному программой алгоритму. На таких электровозах основную роль играет уже не электрическая схема цепей управления, а алгоритм, в соответствии с которым управляющая катушка того или иного аппарата получает питание.
Для того чтобы понять последовательность работы оборудования электровоза, определить характеристики электровоза, необходимо рассмотреть алгоритмы, задаваемые для системы МПСУиД. Возможно выделить несколько этапов работы электровоза: приведение в рабочее состояние, эксплуатация, перевод в «холодное» состояние.
При приведении электровоза в рабочее состояние необходимо включить систему МПСУиД, которая затем задает команды на запуск остальных систем и оборудования электровоза. Прежде всего для этого следует подключить аккумуляторную батарею, автоматические защитные выключатели, выключатели систем МПСУиД и БЛОК (в шкафу МПСУиД — справа в машинном отделении) и затем исполнительные цепи управления МПСУиД.
Алгоритм включения цепей управления МПСУиД. Команда подается выключателем S1 «Выключатель управления». Условие выполнения команды: не находятся во включенном положении кнопки «Токоприемник», «Быстродействующий выключатель», «Мотор-вентиляторы», «Мотор-компрессор», «Мотор-компрессор принудительно», «Продувка резервуаров», «Отпуск тормоза», «Песок». Если хотя бы одна из них включена, необходимо ее выключить и повторить команду выключателем S1.
Действия осуществляются по следующему алгоритму:

• включаются контакторы КМ10 и КМ11 (при отсутствии неисправностей в блоках МПСУиД, соответственно, в первом и втором каналах), которые соединяют с общим «минусом» провода 600А и 600Б, подсоединяющие блок БУК;
• определяется число секций и их ориентация относительно кабины, из которой осуществляется управление;
• на секции, где активирован пульт машиниста для МПСУиД, устанавливается режим приема команд с пульта машиниста и трансляции их в другие секции; на других секциях устанавливается режим приема команд по линии связи.

Затем система МПСУиД запускает алгоритмы изменения положения разъединителя, заземлителя и включения токоприемника.
Алгоритм подъема токоприемника, включения разъединителя и заземлителя. Команда подается установкой в положение «Вкл.» одного или нескольких переключателей «Токоприемники»: SB15 «Секция 1», SB16 «Секция 2», SB17 «Секция 3», SB18 «Секция 4».
Условия выполнения команды по изменению положения разъединителей и заземлителя для всех секций:

• закрыты двери ВВК и люки выхода на крышу всех секций;
• выключены быстродействующие выключатели (БВ) на всех секциях.

Осуществляются действия по алгоритму для всех секций:

1. снимается питание с включающих катушек заземлителей QS2-1;
2. получают питание выключающие катушки заземлителей QS2-2, заземлители отключаются на всех секциях;
3. блокировочные контакты QS2 размыкают цепи электромагнитных защелок YAB1 — YAB4, предназначенных для блокирования дверей ВВК и люка выхода на крышу;
4. снимается питание с выключающих катушек разъединителей QS1-2 и получают питание включающие катушки QS1-1, разъединители всех секций включаются.

После этого осуществляется подъем токоприемников.
Условия выполнения команды на подъем соответствующего токоприемника:
БВ выключены или имеется UKC на секциях 1 и 2 (при двух секциях) или на секциях 1 — 3 (при трех секциях);
ножи переключателя Q1 установлены в положение нормальной эксплуатации (отменено переключение силовой цепи на розетки ввода в депо Х21 и Х22);
отсутствует сигнал системы пожаротушения (контакт KL21 замкнут);
уже поднято не более двух токоприемников;
’Ъ достаточно давление в питательной магистрали.
Подается питание на электропневматический клапан КР1 выбранной секции и осуществляется подъем токоприемника. После подъема токоприемника производится включение БВ и затем сразу включение преобразователя собственных нужд (ПСН).
Алгоритм включения БВ и ПСН. Команда на включение БВ подается тумблером SB30 «Быстродействующий выключатель».
Далее производятся действия по следующему алгоритму:
срабатывает промежуточное реле KL9, включается на 2 с контактор КМ17 (возврат защиты), если выключены тяговый и тормозной режимы ТЭД;
Ф* по цепи, в которой замкнуты блокировочные контакты дифференциальных реле KAI, КА2 и быстродействующих контакторов К41 и К42, блокировочный контакт блока защиты А1 преобразователя ПСН, подается напряжение 110 В на катушки БВ, электромагнитной защелки QF1-2 (354) и электромагнитного вентиля QF1-1 (335);
Ф* БВ включается и становится на самоподпитку после замыкания блокировочного контакта QF1;
другой блокировочный контакт QF1 выводит из цепи катушки электромагнитной защелки дополнительный резистор R133, что обеспечивает ток, достаточный для ее удержания;
еще один блокировочный контакт QF1 подает напряжение 110 В в цепь провода 400; включается промежуточное реле KL2, которое вводит в цепь катушки КА1 добавочный резистор R103.
Включение на 2 с контактора КМ17 обеспечивает включение БВ и подачу напряжения на катушки подпитки дифференциального реле токовой защиты от коротких замыканий на землю: КА1 — реле защиты тяговых двигателей, КА2 — реле защиты ПСН. Реле КА2 включается и готово к работе, если разность тока в его силовых катушках не превышает 8,5 А (при большей разности токов срабатывает защита и выключается БВ).


Подача высокого напряжения на вход ПСН осуществляется двумя ступенями, что обеспечивается последовательным включением контакторов КМ1 и КМ2. Контактор КМ1 (1-я ступень запуска ПСН)
включается через 3 с после выключения контактора КМ17, еще через 2 с включается контактор КМ2 (2-я ступень запуска ПСН). Система МПСУиД осуществляет контроль за включением ПСН по сигналам, поступающим на ее вход через блокировочные контакты КМ1 и КМ2. Если через 1 с после включения контактора КМ2 не появился сигнал «Контроль ПСН», контакторы КМ1 и КМ2 выключаются. Повторное включение ПСН производится только после выключения БВ.
Алгоритм включения главного компрессора. На главный компрессор от преобразователя ПСН подается напряжение:

• 380 В трехфазного переменного тока (с регулированием частоты и напряжения) для питания асинхронного электродвигателя привода;
• 220 В однофазного переменного тока для питания осушителя и ТЭН подогрева масла;
• 110В постоянного тока для питания цепей управления.

Команда на включение компрессора подается с пульта двумя способами:
О тумблером «Компрессор» при давлении в напорной магистрали любой секции менее 7,5 кгс/см2;
О кратковременным нажатием кнопки SB11 «Принудительное включение компрессора».
Условия выполнения команды сводятся к следующему:

• включен БВ;
• отсутствует команда «Возврат защиты»;
• поступил сигнал «Готовность МК» от внутреннего блока управления компрессора;
• имеется сигнал «Контроль ПСН» («включены контакторы КМ1, КМ2»),

Действия осуществляются по следующему алгоритму:

• поступает команда в ПСН на включение двигателя компрессора; частота питающего напряжения двигателя постепенно увеличивается до 50 Гц (100 %) в течение 10 с при изменении напряжения на его выводах линейно от нуля до установившегося рабочего значения 380 В (это обеспечивает плавный разгон двигателя);
• промежуточное реле KL11 включает блок управления А15 тормозного компрессора.

Отключение компрессора происходит при достижении давления в напорной магистрали любой секции 9 кгс/см2, если включение производилось по команде «Включение МК». В случае, когда включение компрессора производилось по команде «Включение МК принудительно», то отключение его происходит при отжатии кнопки SB11 «Принудительное включение компрессора».
Продувка главных резервуаров продолжительностью 1 — 2 с выполняется каждый раз через 5 с после команды «Включение МК» или «Включение МК принудительно».
Алгоритм управления вентиляторами охлаждения тяговых двигателей. Команда подается включением кнопки SB28 «Вентиляторы».
Условия выполнения команды:

• включен БВ;
• отсутствует команда «Возврат защиты» (отключен К17);
• имеется сигнал «Контроль ПСН» (включены контакторы КМ1, КМ2).

Действия осуществляются по алгоритму:

• выдается команда в ПСН на включение электродвигателей вентиляторов охлаждения ТЭД;
• частота вращения МВ изменяется в зависимости от величины тока в цепи ТЭД, что достигается регулированием частоты питающего напряжения в шкафу ПЧ ПСН.

При токе в цепях ТЭД не более 320 А для мотор-вентиляторов (МВ), соответствующих отключенным ТЭД, частота вращения (уставка МВ) составляет 25 Гц (50 %), при токах более 320 А она равна 50 Гц (100 %). В зависимости от требований заказчика и региона работы электровоза данные параметры могут меняться. Например, в Урало-Сибирском регионе некоторое время использовалось программное обеспечение с разделением на «летний» и «зимний» режимы, которые вводились по определенным датам.
(Окончание следует)

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК