Admin

Системы управления газовыми локомотивами, тепловозами нового поколения

А.В. ШЛЕНСКИЙ, руководитель направления электроники и программного обеспечения, ООО «ЦИР СТМ»,
Д.А. КОВАЛЕНКО, главный конструктор — руководитель центра компетенции по разработке систем и компонентов, ООО «НИЦ СТМ», ГК «Синара — Транспортные Машины», группы Синара

Важнейшими направлениями развития конструкций новых локомотивов являются принципиально новые системы управления, схемы компоновки и переход на альтернативные виды топлива. В качестве одного из основных альтернативных видов топлива для транспортных средств в нашей стране рассматривается природный газ. Это достаточно экологически чистое, доступное и недорогое топливо.
Не удивительно, что в нашей стране уже не раз предпринимались научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР) по разработке и строительству опытных маневровых тепловозов, работающих на природном газе. Значительная часть попыток использования природного газа на маневровых локомотивах происходила в виде опытов с КПГ — компримированным (сжатым, как правило, в 200 раз) газом. Однако это не привело к успеху — ни один из таких опытных газотепловозов к серийному производству принят не был.
Следует заметить, что в старых нормативных документах газ КПГ обозначали как СПГ. Из-за этого среди широкого круга пользователей возникла определенная путаница.

Дело в том, что в настоящее время под СПГ понимается сжиженный до криогенного состояния природный газ (LNG — liquefied natural gas) его температура составляет до -164 °C, что позволяет его эффективно использовать, так как необходимое количество газа при сжижении уменьшается в объеме до 600 раз. Тем самым СПГ (LNG) является одним из перспективных видов топлива на сегодняшний день, который получает все больше распространения во всех видах транспорта. Перевозка природного газа на транспортных средствах также происходит большей частью в таком сжиженном виде.
Следуя намеченному курсу принципиального обновления портфеля продуктовой линейки, СТМ недавно сертифицировал совершенно новый маневровый локомотив, работающий на сжиженном природном газе, ТЭМГ1. Конструкторские решения, примененные на этом локомотиве, потребовали применения компактной, производительной и одновременно экономичной системы управления.
При проектировании современной железнодорожной техники невозможно обойтись без применения концепции, поддерживающей модульность, расширяемость, универсальность и масштабируемость. На момент разработки ТЭМГ1 такая система на рынке России отсутствовала. Поэтому одновременно с проектированием этого концептуально нового тепловоза велась разработка микропроцессорной системы управления и диагностики (МПСУиД).
Что касается общих тенденций развития транспортных средств, то в мировой практике наблюдается длительный процесс укрупнения мощностей транспортных энергетических установок. Однако специфика работы тепловозов такова, что они, даже находясь в рейсе, большую часть, до 70 % времени, работают на невысокой мощности. Особенно это свойство эксплуатации актуально для маневровых машин. Например, циклограмма работы достаточно широко распространенных маневровых тепловозов ТЭМ7А показала, что высокие мощности требуются таким тепловозам на очень небольших промежутках времени. Весьма значительную часть време
ни маневрово-вывозные тепловозы работают на холостом ходу или прогреве при горячем отстое.
Специалисты ГК «Синара» стали ориентироваться на курс дробления мощностей в тепловозостроении, взяв новую двухдизельную схему за базовую. При применении на тепловозах недизельных локомотивных энергетических установок, например, газопоршневых двигателей внутреннего сгорания («искровых» — работающих по циклу Отто) был принят аналогичный общий курс развития.
Специалисты уже неоднократно писали о развитии рассматриваемой концепции. В группе компаний «Синара» это развитие началось с начала серийного выпуска двухдизельных тепловозов ТЭМ14. Следующим весьма успешным проектом стало создание новой базовой платформы локомотивов — первой базовой моделью стал двухдизельный тепловоз ТЭМ10. Этот локомотив оснащается уже принципиально новым типом электрической передачи.
Современная система управления для железнодорожного подвижного состава — это целый комплекс сложных электронных устройств с развитым программным обеспечением. Разработка такого уровня нецелесообразна без унификации решений с возможностью применения на широком спектре устройств. Практика показала, что разработанная система получилась действительно гибкой и универсальной.
Следующим за ТЭМП и его «братом-близнецом» ТЭМ10, систему МПСУиД получил экспортный тепловоз с гидропередачей ТГМ8А, по сути являющийся значительно модернизированной версией серии ТГМ6. В отличие от ТГМ6, ТГМ8А имеет функцию работы по системе многих единиц до трех секций в сцепе. Пульт машиниста оснащен приборной панелью с 10-дюймовым жидкокристаллическим экраном с выводом всей необходимой информации и полной диагностикой устройств. Данные о работе, местонахождении тепловоза и запасе топлива доступны онлайн в режиме реального времени и помогают в обслуживании локомотивов.

В дальнейшем весь спектр вновь проектируемой техники СТМ, включая специальные локомотивы, самоходный специальный подвижной состав и даже путевые машины планируется оснащать новой системой.
Локомотив ТЭМП оснащается новой распределенной микропроцессорной системой управления и диагностики (МПСУиД), полностью разработанной ООО «Центр инновационного развития СТМ». Из-за увеличенной производительности, скорости и надежности внутренней шины передачи данных, удалось минимизировать количество установленных датчиков, что положительно сказалось одновременно и на надежности, и на цене.
Благодаря высокой производительности МПСУиД удалось внедрить ряд функций, ранее не реализованных. В частности, система управления производит запись более 3000 различных параметров. Помимо показаний датчиков и управляющих команд, фиксируются внутренние расчетные величины, а также наработка отдельных узлов. Объем памяти и ее организация позволяют хранить данные за несколько месяцев работы тепловоза.
Локомотив ТЭМП, как и ТЭМ10, обладает селективно-синхронной тяговой схемой (эта схема была ранее описана в материалах, посвященных базовому тепловозу ТЭМ10). Это позволяет сделать плавным, практически неощутимым для машиниста, подключение второй силовой установки.
Полезно помнить, что газотепловоз ТЭМП и тепловоз ТЭМ10 создавались «параллельно». В основу конструкции этих машин легли близкие научно-технические и инновационные решения.
Одним из достаточно сложных технических решений при разработке ТЭМП была топливная система, питающая сразу два двигателя.
Особенностью газотепловоза является плотная компоновка оборудования. Для шкафа системы управления в кабине просто не оказалось места. Конструктивно МПСУиД состоит из компактных блоков, соединенных дублированной скоростной шиной CAN. Блоки распределены по всему локомотиву, большинство из них находятся в непосредственной близости от датчиков и исполнительных устройств, благодаря чему упрощаются компоновочные решения кабельной продукции и разъемных соединителей, уменьшаются количество и размеры электротехнических изделий. Распределенный тип системы позволил значительно упростить электромонтаж локомотива.
Состав оборудования конкретной системы управления существенно зависит от объектов управления и управляемой машины в целом. Так, на газотепловозе ТЭМП установлены 34 блока, а на путевой машине ПМА-3 блоков более 40. При этом на тепловозе ТГМ8А всего 10 блоков, что объясняется особенностями тепловоза с гидропередачей — значительно меньшим количеством электрического оборудования.
Большая часть блоков отвечает за подключение органов управления, различных аналоговых датчиков физических величин и датчиков-реле, а также за управление контакторной аппаратурой. Для взаимодействия со смежными системами (преобразовательная техника, двигатель, система безопасности) имеется набор шлюзов RS-485, CAN, Ethernet. Для вывода информации машинисту используются блоки с ЖК-дисплеями 7 и 10 дюймов, подключенные к блоку управления по интерфейсу Ethernet.


МПСУиД непрерывно записывает всю имеющуюся на борту телеметрическую информацию. Все данные можно посмотреть непосредственно на экране приборной панели либо скопировать на переносной носитель информации для последующего анализа на компьютерах (ПК). Диагностика и контроль параметров доступны как при помощи инструментов бортовой диагностики (рис. 1), так и с использованием внешнего компьютера, например, ноутбука (рис. 2).
По желанию заказчика система оснащается дополнительным оборудованием, обеспечивающим передачу данных в облачный сервис СТМ. При этом заказчику доступна информация о местонахождении и режимах работы техники, а также вся телеметрическая информация, записанная системой. Информация предоставляется через вебинтерфейс, телеграм-бот или согласованный API.

Основной задачей при проектировании было обеспечение безопасной эксплуатации локомотива. Для этого на локомотиве был применен комплекс датчиков аварийных вентиляторов для продувки силовых модулей в случае утечки газа.
Важнейшим параметром работы системы является НКПР — нижний концентрационный предел распространения пламени.
Важно понимать алгоритм работы с параметрами безопасности газового локомотива.
После включения главного рубильника локомотива и подачи напряжения питания на систему управления подается питание на два специальных датчика (ДАТ-М-Об-ТРХН). Вне зависимости от показаний датчиков система управления включает два вентилятора на 10 мин. Также возможно включение светильников в каждом силовом модуле. При этом локомотив скомпонован так, что коммутирующая аппаратура находится вне силового модуля, в отсеке ТЭД2.
Датчики ДАТ-М имеют выход 4 — 20 мА, два выхода «сухой контакт» с двумя порогами срабатывания, выход «сухой контакт», срабатывающий в случае выхода из строя датчика. Перечисленные сигналы подключены в систему управления локомотива. Пороговые сигналы датчика настраиваются на значения 7 и 11 % НКПР.
На мониторе пульта машиниста (рис. 3) отображаются пиктограммы работы вентиляторов в силовых модулях. Также присутствуют пиктограммы, показывающие наличие повышенной концентрации газа: при достижении 7 % НКПР они подсвечиваются желтым, при достижении 11 % — красным.
Система управления локомотива проводит контроль наличия напряжения питания вентиляторов, состояния коммутирующей аппаратуры. При нормальной работе и сигналах НКПР (менее 7 %) всех датчиков через 10 мин от момента включения питания вентиляторы отключаются.
Одновременно с отключением вентиляторов производится подача питания на электрические датчики, отвечающие за измерение напряжения тяговых генераторов и контроль изоляции высоковольтной цепи и коммутирующей аппаратуры, участвующей в процессе запуска двигателя.
Во время работы вентиляции в течение 10 мин после включения питания локомотива или при наличии показаний любого датчика более 7 % НКПР запуск газопоршневых двигателей системой управления запрещен. Также при наличии показаний любого датчика более 7 % НКПР включаются оба вентилятора вне зависимости от того, запущен газопоршневой двигатель или нет.
После получения команды от машиниста на запуск двигателя система управления локомотива включает один из вентиляторов силового модуля, имеющего наименьшую наработку. После включения вентилятора производится запуск газопоршневого двигателя. Вентилятор отключается только после остановки двигателя.
В случае получения сигнала о повышении концентрации газа выше 11 % НКПР в процессе запуска или в запущенном состоянии двигатель останавливается.
Подача газового топлива на двигатель производится через два последовательно соединенных клапана, расположенных на модуле СПГ. Включение клапанов производится с интервалом не менее 10 с. Положение исполнительного механизма клапанов контролируется системой управления. В случае невыполнения команды на открытие клапана система управления прекращает запуск двигателя.
Аварийный останов двигателя может выполняться при любом отклонении контрольных параметров от заданной в системе управления нормы (концентрация газа более 11 % НКПР, давления, температуры узлов и агрегатов, мощности).
Возбуждение тягового генератора снимается при температуре обмоток статоров или выпрямителей более 120 °C, подшипниковых узлов — более 100 °C.
Важно, что используемые в алгоритме значения срабатывания предупредительной и аварийной сигнализации по НКПР 7 и 11 % заведомо ниже приведенных в ГОСТ 31845 20 и 40 % соответственно.
Отличительной особенностью работы МПСУиД на тепловозах, оснащенных современными двигателями внутреннего сгорания, является реализация расширенной диагностики двигателя. МПСУиД не только отображает сигнал Checkengine подобно приборным панелям автотракторной техники, но и указывает причину, по которой этот сигнал сформирован.


В качестве средства обработки информации в блоках МПСУиД используется отечественный микроконтроллер K1986BE1QI производства зеленоградской компании «Миландр». Это 32-разряд-ный микроконтроллер с RISC-ядром, наиболее близким аналогом которого является ARMCortexMl. Микросхема изначально предназначена для применения в области авиатехники, но благодаря хорошему быстродействию и наличию всех необходимых интерфейсов удачно интегрировалась в системы управления железнодорожной электроники.
Локомотив ТЭМГ1 оснащен двумя тяговыми электромашинными агрегатами (генераторами), в зависимости от требуемой мощности задействуются один или два газопоршневых двигателя. МПСУиД следит за тем, чтобы наработка двигателей была одинаковой.
На ТЭМП впервые применена схема последовательного соединения выпрямителей двух синхронных генераторов для питания коллекторных тяговых электрических двигателей. Это создает дополнительные сложности для управления тяговыми генераторами, ведь все вспомогательные нужды питаются только от одного ДВС, а мощность дизелей должна поддерживаться одинаковой. В итоге при одновременной работе ДВС напряжение на тяговых выпрямителях является взаимозависимым и должно поддерживаться в определенных пределах.

Для реализации такой схемы регулирования МПСУиД непрерывно рассчитывает текущую мощность на валу ДВС. Преимуществом здесь является возможность плавного ввода в работу второго ДВС. При соответствующем повышении позиции контроллера машиниста переходной процесс настроен так, что машинист не чувствует разницы по сравнению с однодизельным тепловозом. Суммарная мощность силовых установок изменяется плавно и предсказуемо. При этом тепловоз является более экономичным, а два относительно небольших ДВС работают с меньшим шумом и создают меньше вибраций, чем один большой дизель, что улучшает условия работы локомотивной бригады и других пользователей.
Необходимо отметить, что как объект управления и контроля, путевые машины, на которых также применяются рассматриваемые микропроцессорные системы управления, являются более сложными устройствами, чем локомотивы. Машины имеют достаточно сложные, точно позиционируемые и энергонасыщенные рабочие органы, большее количество органов управления, оснащены значительным количеством датчиков и исполнительных устройств. По этим причинам цифровые системы управления на них более сложные и начали применяться раньше, чем на локомотивах. Таким образом, «прародителем» современных высокоточных систем управления является именно строительно-путевая техника.
Для интеграции на ПМА-3 от системы управления потребовалось сократить время реакции до 10 мс. Чтобы обеспечить данное условие при сохранении большого объема информации, получаемого от периферийных блоков, сеть CAN была разбита на два независимых сегмента: «быстрый» и «медленный». Быстрый сегмент сети отвечает за обработку данных от датчиков и управление исполнительными органами с периодом обмена не более 10 мс. Медленный сегмент ответственен за обработку команд машиниста, предоставление оператору необходимой информации и взаимодействие со смежными системами, обеспечивая время реакции 50 мс.
Характерно, что общемировым трендом является распространение высоких, в том числе высокоточных, технологий на технические объекты, где ранее применение систем с такими характеристиками трудно было даже представить. Не только современные локомотивы, но даже и грузовые вагоны все чаще становятся высокоточными — можно наблюдать активное отслеживание предиктивными системами управления важных процессов производственной и технической эксплуатации. Одним из интересных примеров является внедрение высокоточной навигации для полного контроля траектории движения подвижного состава, включая предиктивный контроль с недопущением схода колесных пар.

Необходимо отметить, что двухдизельная схема с селективносинхронной электропередачей, реализация которой была начата при проектировании тепловозов ТЭМП, оказалась весьма удачной. По данным СТМ, такие локомотивы пользуются все большей популярностью.
К настоящему времени проведены исследования, которые показывают, что этот тип передачи весьма перспективен для распространения и на другие серии локомотивов. Конструкция серийно выпускаемых тепловозов ТЭМ14 также предполагает использование двух дизелей в одной секции локомотива. Однако существующая схема предусматривает переключение соединений тяговых двигателей с последовательно-параллельного на параллельное и обратно и выпрямительных установок тепловозных дизель-генераторов соответствующими переключателями, близкими по конструкции с поездными реверсорами.
Внедрение вышеуказанных электропередач нового поколения с плавным вводом в тягу и плавным выводом из работы второй ДГУ приведет к устранению существенных недостатков и выведет характеристики тепловозов серии ТЭМ14 на совершенно иной уровень. Основой реализации данного проекта является разработка микропроцессорной системы управления и диагностики нового уровня.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК