[11-2025] Микропроцессорные противоюзные комплексы КППУ

[бабулер138]

Микропроцессорные противоюзные комплексы КППУ

Е.А. РЫСТИНА, сервисный инженер ООО «Рейлкомп», Р.В. МИХАЛЕВСКИЙ, А.А. ШАБАШОВ,
Дирекция скоростного сообщения - филиал ОАО «РЖД»

Комплекс процессорного противоюзного устройства (КППУ) с измерителем скорости является автономной системой и предназначен для предотвращения юза и исключения блокировки колесных пар тягового подвижного состава (ТПС) при торможении, чем достигается защита поверхностей катания колесных пар от повреждений, повышения безопасности движения, увеличения эффективности торможения и измерения значений текущей скорости. Применяется на большей части современного тягового, подвижного состава. Технические характеристики комплекса приведены в табл. 1.

Важным базовым компонентом рассматриваемого в статье комплекса является осевой двухканальный датчик ОД, который предназначен для контроля угловых скоростей вращения колесных пар. При этом датчик ОД ОДМ-2 вырабатывает 72 импульса за каждый полный оборот вала колесной пары с частотой, прямо пропорциональной угловой скорости колесной пары. Этот датчик не имеет наружного корпуса и устанавливается на соответствующие посадочные места внутри буксы.
Датчики ОД соединяются с электрической схемой ТПС специальными присоединительными кабелями длиной 0,7 м, входящими в состав датчиков и имеющими снаружи защиту, выполненную в виде дюритового рукава. Каждый ОД имеет два канала, что повышает надежность защиты колесных пар от повреждений. Диапазон скоростей эффективной работы ОД от 0,2 до 300 км/ч.
Функцию подключения КППУ к электрическим цепям ТПС осуществляет блок коммутации (входящий в состав электронного блока ЭБ). В его корпусе установлен модуль коммутации, который состоит из печатной платы с установленными на ней двухъярусными зажимами типа «WAGO», разъемами подключения шлейфов электронного блока, а также переключателями подключения согласующих резисторов.
ЭБ КППУ выполняет функции автоматического циклического анализа соотношения угловых скоростей и фактических значений угловых ускорений колесных пар ТПС. В режимах торможения, при обнаружении дисбаланса угловых скоростей, превышающих заданный порог допустимого проскальзывания или при обнаружении угловых ускорений, превышающих допустимый уровень, блок ЭБ вырабатывает сигналы, управляющие состоянием соответствующих впускных и сбрасывающих клапанов, т.е. автоматически изменяет (приостанавливает дальнейшее наращивание или уменьшает) давление воздуха в рабочих тормозных цилиндрах соответствующих колесных пар до выравнивания их угловых скоростей и ускорений.
Блок ЭБ постоянно диагностирует целостность цепей управления впускными и сбрасывающими клапанами ЭПК, а в случае обнаружения неисправности для обеспечения повышения безопасности движения автоматически изменяет конфигурацию устройства и вырабатывает соответствующие информационные сигналы. В режиме тестирования времени сброса воздуха на стоянке ЭБ измеряет фактическое значение времени сброса сжатого воздуха из рабочих тормозных цилиндров и информирует о результатах зажиганием светодиодов (красного или зеленого) из группы «Контроль времени сброса воздуха из ТЦ» на лицевой панели блока. Блок имеет встроенные часы-календарь с автономным питанием и встроенный регистратор (энергонезависимую память), куда в автоматическом режиме записываются данные по учету времени работы в часах, а также данные по учету общего пробега в километрах. Объем памяти позволяет фиксировать названные параметры функционирования в течение календарного года.

Электрические цепи управления клапанами и бортовой индикацией имеют встроенную самовосстанавливающую-ся интеллектуальную защиту от токов короткого замыкания.
ЭБ имеет специальную защиту от бросков питающего напряжения, что позволяет гарантировать его работоспособность при перенапряжениях бортового питания. При падении питающего напряжения ниже установленного порога блок автоматически отключается от питающего напряжения и восстанавливает работу только при нормализации питающего напряжения.
ЭБ КППУ непрерывно диагностирует исправность осевых датчиков и в случае обнаружения отказа одного из каналов автоматически переключает систему на второй (дублирующий) канал соответствующей колесной пары с регистрацией события во встроенную память и выводом информации на световые индикаторы лицевой панели.
Блок обеспечивает защиту от синхронного вхождения колесных пар в состояние юза, а также имеет встроенный измеритель скорости, предназначенный для измерения во всем диапазоне работы КППУ.
Для обеспечения устойчивости программно-аппаратной части электронного блока к воздействию внешних факторов, которые могут привести к зацикливанию или «зависанию» программы функционирования, а также для повышения безопасности системы в целом, в ЭБ реализована двухуровневая защита.
На первом уровне в микроконтроллере задействован так называемый механизм «WatchDog». Суть этого механизма заключается в следующем. При сбое или зависании программы функционирования по истечению интервала времени в 5 с происходит автоматический аппаратный
сброс системы. В результате этого система переходит в исходное состояние, в котором выдаются команды на снятие сигналов управления исполнительными органами системы — электропневмоклапанами, что исключает несанкционированный сброс воздуха из тормозных цилиндров и растормаживание экипажа. В дальнейшем система начинает функционировать в штатном режиме.
На втором уровне в микросхеме FBGA реализован механизм логических условий, блокирующих или разрешающих выдачу сигналов управления исполнительными органами (электропневмоклапанами).
При неисправности одного или обоих каналов управления электропневмоклапанами или самих электропневмоклапанов, сигналы управления данными клапанами блокируются.
Предпринятые мероприятия в конечном итоге должны привести к повышению безопасности системы.
Все специфические ограничения, вызванные реальными условиями эксплуатации у потребителя, могут быть введены в память КППУ при выполнении пусконаладочных работ или откорректированы исходя из изменившихся условий эксплуатации обслуживающим персоналом депо при помощи технологического компьютера, который подключается к специальному разъему USB или RS-485.

Электронный блок КППУ (ЭБ) состоит из блока управления и блока коммутации, которые представляют собой два самостоятельных конструктива.
Подключение ЭБ к электрическим цепям ТПС осуществляется через блок коммутации КППУ (БК). БК КППУ представляет собой прибор прямоугольной формы закрытого негерметичного исполнения. Основным несущим элементом конструкции является гнутое основание из листовой стали, жесткость которого обеспечивается оптимальным размещением усиливающих планок.
На основании блока с помощью резьбовых шпилек и распорных втулок закреплен модуль коммутации ИТ5.102.751. На плате этого модуля смонтированы два разъема подключения шлейфовых кабелей от блока управления электронного блока КППУ. Здесь же смонтированы колодки типа «WAGO». Они необходимы для подключения проводов и кабелей ТПС. На плате установлены элементы защиты электронных компонентов БК от коротких замыканий в электрических цепях подвижного состава, а также переключатели подключения нагрузочных резисторов для линий связи интерфейса RS-485, CAN1, CAN2.
Внешний вид блока коммутации показан на рис. 1.
На плате коммутации имеется табличка с пояснительными надписями назначения контактов зажимов «WAGO», предназначенных для подключения к электрическим цепям ТПС. Для удобства распознавания функциональные цепи выделены соответствующими цветами.

Двухканальный осевой датчик ОДМ-2 бескорпусного типа монтируется внутри буксового узла колесной пары. При помощи переходных деталей стробдиск на 72 зуба крепится непосредственно к валу контролируемой колесной пары. Регулирование положения стробдиска по высоте осуществляется путем вывинчивания (ввинчивания) фланца с последующим его стопорением четырьмя винтами Мб.
Двухканальный модуль осевого датчика ОДМ-2 ИТ4.056.015-01 устанавливается на посадочные места передней крышки буксового узла. На плате модуля осевого датчика ОДМ-2 установлены оптоэлектронные датчики (по одному на каждый канал), электрорадиоэлементы схемы считывания и преобразования и четырехштырьковый разъем с фиксатором для подключения присоединительного кабеля. Подключение модуля осевого датчика к электрическим цепям ТПС осуществляется присоединительным кабелем, конец которого ввинчен в кабельную коробку, установленную на наружной поверхности рамы тележки. Разъем кабеля подключен к соответствующему разъему платы коммутации.
Внешний вид осевого датчика ОДМ-2 показан на рис. 2.
На плате блока коммутации, кроме разъемов, установлены элементы защиты электрических цепей от токов короткого замыкания, защиты от токов самоиндукции. На плате также установлены переключатели подключения резисторов нагрузки в интерфейсных линиях связи. Принцип работы графически поясняется на блок-схеме, изображенной на рис. 3.
Конструктивно блок выполнен в виде трех модулей:

• > модуль индикации ИТ4.036.706;
• > комплексный модуль управления ИТ4.036.716;
• > модуль коммутации ИТ5.102.751.

Электрические связи между модулями выполнены с помощью плоских кабелей. На платах модулей установлены ответные разъемы с защелками (принудительными фиксаторами).
На плате модуля управления установлен разъем USB для подключения технологического компьютера, на котором установлена сервисная программа. Программа предназначена для проведения тестирования системы, наблюдения функционирования системы в различных режимах работы, настройки параметров системы.
Модуль индикации I4T4.036.706 конструктивно выполнен в виде моноблока. Крепление модуля к корпусу ЭБ осуществляется с помощью шести шпилек. Модуль индикации электрически соединен с модулем управления ЭБ шлейфовым кабелем. Внешний вид фальшпанели показан на рис. 4.
Модуль индикации является связующим элементом между системой и обслуживающим персоналом. На лицевой панели модуля индикации расположены светодиодные индикаторы, двухразрядный цифровой индикатор и две кнопки управления, а также пояснительные надписи.
Светодиодный индикатор «Питание включено» сигнализирует о работе электронного блока. Светодиоды из группы «Интерфейс» индицируют процесс обмена информацией либо с сервисной программой, либо с информационной системой ТПС.
Необходимо отметить, что светодиоды из группы «Сигналы управления» при установке на многих современных электропоездах не используются.

Светодиоды из группы «Обрыв электрических цепей ОДМ» и группы «Обрыв электрических цепей ЭПК» сигнализируют о состоянии системы.
Светодиоды из группы «Наличие давления воздуха в ТЦ» индицируют о наличии давления в тормозных цилиндрах каждой колесной пары.
При проведении проверки сброса воздуха из тормозных цилиндров результаты отображаются на светодиодных индикаторах из группы «Контроль времени сброса воздуха из ТЦ». Если время сброса воздуха из тормозного цилиндра конкретной колесной пары не превышает нормативного времени, загорается светодиод зеленого цвета, в противном случае — красного.
Запуск теста проверки сброса воздуха из тормозных цилиндров осуществляется с помощью кнопки «Тест». При движении подвижного состава данная кнопка блокируется.
Двухразрядный символьный индикатор предназначен для отображения неисправностей (если таковые имеются) в системе. При отсутствии неисправностей в системе на индикаторе отображается значение «00». Если обнаружена неисправность в системе — выводится код ошибки согласно табл. 2. При наличии более одной неисправности отображение кодов ошибок осуществляется по кольцу.

При наличии неисправности(ей) в системе код ошибки формируется следующим образом:
левый символ индикатора — номер колесной пары;
для правильной расшифровки значений правого символа см. табл. 2.
Модуль управления ИТ4.036.716 (МУ) состоит из печатной платы с установленными радиоэлектронными компонентами. В корпусе прибора модуль установлен на восьми стойках. Электрические соединения с модулем индикации выполнены через разъемы с помощью плоских кабелей. Для сопряжения с блоком коммутации на плате установлены два разъема для подключения плоских кабелей.
Общая синхронизация всех узлов МУ осуществляется от кварцевого генератора с частотой 24 МГц. Модуль МУ состоит из следующих функциональных узлов:

• узел блока питания для обеспечения всех узлов системы вторичными напряжениями питания;
• узел приема сигналов от ОД;
• узел анализа состояния цепей ОД;
• узел первичной обработки сигналов от ОД;
• узел расчета ускорения или замедления каждой колесной пары;
• узел формирования напряжений питания ОД;
• узел приема сигналов от датчиков и/или сигнализаторов давления;
• узел анализа состояния цепей управления клапана ЭПК;
• узел счета времени сброса воздуха из тормозных цилиндров;
• узел формирования сигналов управления ЭПК, закрытия и блокировки дверей, управления МРТ (противоюзное управление — применяется на том подвижном составе, где эта функция реализована);
• узел силовых ключей управления ЭПК;
• узел энергонезависимой памяти для хранения событий в системе управления;
• узел системного времени;
• узел формирования интерфейса RS-485;
• узел формирования интерфейса CAN (основной канал);
• узел формирования интерфейса CAN (резервный канал);
• узел обмена по интерфейсу USB с технологическим компьютером;
• узел опроса бортовых кнопок и выдачи сигналов управления светодиодными индикаторами «Норма» и «Отказ», установленными по обоим бортам тяговой единицы.

Узел приема сигналов от осевых датчиков осуществляет прием сигналов от осевых датчиков, расположенных на торцах осей колесных пар. Он обеспечивает гальваническую развязку цепей ОД от модуля управления.
Сигналы от ОД в виде прямоугольных импульсов положительной полярности и длительностью 100 мкс поступают на вход микросхемы. Передача информации от ОД на узел приема в виде токовых сигналов обеспечивает помехоустойчивость канала передачи прямоугольных импульсов.
После оптопар сигналы поступают на входы триггеров Шмидта. Сформированные сигналы поступают на входы узлов первичной обработки сигналов от ОД. Эти же сигналы поступают на вход узла расчета относительного ускорения
по каждой колесной паре и на вход узла анализа состояния цепей датчиков.
Сформированные входные сигналы от ОД поступают на вход узла анализа состояния цепей. Этот узел представляет собой цифровой автомат, построенный на микросхеме ПЛИС фирмы Altera. Сигналы состояния цепей ОД поступают на вход узла формирования сигналов управления и при сигнале аварии ОД (отказ обоих каналов) блокируют канал управления электропневмоклапанами по данной колесной паре.
Узел первичной обработки сигналов от ОД в базе представляет собой б-канальное устройство. Сигналы на вход узла поступают от узла приема сигналов от ОД. Узел первичной обработки сигналов реализован в виде цифрового автомата.
Алгоритм обработки входных сигналов обеспечивает подавление помех, неизбежно появляющихся в линиях связи между ОД и модулем управления. В алгоритме использованы специальные математические методы фильтрации и сглаживания характеристик длительностей входных импульсов.

Узел расчета ускорения/замедления по каждой колесной паре представляет собой цифровой автомат. Входными данными для расчета ускорения/замедления колесных пар являются импульсы от ОД. Эта информация передается на вход алгоритма по ускорению для принятия решения по выработке управляющих воздействий на ЭПК каждой колесной пары.
Узлы формирования напряжений питания ОД ОДМ-2, устанавливаемые на электроподвижной состав, двухканальные. Оба канала равноправные. Два канала используются для целей повышения живучести системы.
Выбор каналов осуществляется центральным процессором на основании информации, полученной от узла анализа цепей ОД. Переключение каналов производится путем подачи напряжения питания на соответствующий канал ОД. Определения «первый» или «второй» канал в данном случае является чисто условными.
Центральный процессор производит переключение на второй канал ОД в случае отказа первого канала, при этом выдается световая сигнализация о выходе из строя одного из каналов на лицевую панель ЭБ, где красным свечением загорается соответствующий светодиод из числа светодиодов «Обрыв электрических цепей ОДМ» из группы светодиодов «Колесные пары». Если оба канала ОД выйдут из строя, то через интервал времени 5 с канал управления данной колесной пары будет отключен, что отобразится на лицевой панели ЭБ одновременным постоянным свечением красным светом всей группы светодиодов соответствующей колесной пары из числа светодиодов «Колесные пары».
Узел приема сигналов от датчиков или сигнализаторов давления устроен следующим образом.
Источниками сигналов для узла могут служить как датчики давления, так и сигнализаторы давления. Узел предназначен для согласования нагрузок от источников сигнала. Эта информация через оптоэлектронную развязку поступает в центральный процессор и на узел формирования сигналов управления ЭПК.
Датчики давления должны иметь токовый выход в диапазоне 4-20 мА. Сигнализаторы давления - контакты «сухая пара».
Выбор источника сигнала осуществляется с помощью переключателей, расположенных на плате модуля управления и с помощью программной настройки программного обеспечения электронного блока. Настройка осуществляется сервисной программой.


Узел анализа состояния цепей управления ЭПК работает следующим образом. Напряжение опроса состояния цепей ЭПК подается от модуля питания прибора. Состояние цепей управления ЭПК через оптоэлектронную развязку поступает на вход узла формирования сигналов управления ЭПК. Анализ производится по каждой цепи управления для впускных и сбрасывающих клапанов. В случае неисправности (обрыве) в цепях управления ЭПК канал управления колесной пары блокируется даже при наличии управляющего воздействия со стороны центрального процессора.
Узел счета времени сброса воздуха из тормозных цилиндров представляет собой цифровой автомат, построенный на базе микросхемы ПЛИС фирмы Altera. На вход автомата поступает следующая информация:

• наличие давления в тормозном цилиндре (от датчика и/или сигнализатора давления);
• наличие сигнала управления сбрасывающим клапаном;
• сигнал разрешения счета.

Результатом работы является промежуток времени от подачи сигнала управления на катушку сбрасывающего клапана до момента опустошения тормозного цилиндра.
Дискретность счета времени сброса воздуха из тормозных цилиндров составляет 1 мс. Максимальное время счета составляет 2 с.
Узел формирования сигналов управления представляет собой 6-канальный цифровой автомат. На вход автомата по каждому каналу поступает информация:

• • от центрального процессора сигналы управления ЭПК при обнаружении повышенного проскальзывания колесной пары или превышения порога по замедлению колесной пары;
• • от узла анализа цепей ОД;
• • от узла состояния цепей управления клапана ЭПК;
• • от узла датчиков и/или сигнализаторов давления.

На основании этой информации принимается решение о выдаче реальных сигналов управления на ЭПК.
Если обнаружен отказ по электрическим цепям ОД или ЭПК, канал управления автоматически блокируется до восстановления нормального состояния электрических цепей.
В автомате реализован алгоритм счета продолжительности времени однократного воздействия на ЭПК по сбросу воздуха. По нормам МСЖД для обеспечения безопасности движения такое воздействие не должно превышать 5 с. Если продолжительность воздействия превышает этот норматив, а колесная пара имеет при этом непрекращающееся повышенное проскальзывание, автомат снимает сигналы управления с клапанов и блокирует канал управления колесной пары. При этом выдается на панель управления ЭБ соответствующая световая индикация. После восстановления угловой скорости колесной пары автомат переходит в исходное состояние и готов к выполнению очередной команды управления, а горевшая на лицевой панели ЭБ световая индикация гаснет.
Узел силовых ключей управления ЭПК осуществляет непосредственно управление катушками ЭПК. Этот узел реализован на полевых транзисторах. Узел имеет гальваническую развязку между низковольтными цепями выработки управляющих воздействий и исполнительными высоковольтными ключами.
Транзисторы защищены диодами от токов самоиндукции. Для защиты транзисторов от токов короткого замыкания в каждом канале управления установлены самовосста-навливающиеся предохранители.
Узел встроенного регистратора (энергонезависимой памяти) предназначен для хранения паспортных данных
КППУ а также хранения данных о наработке прибора в часах и общем пробеге подвижного состава в километрах. Емкость памяти обеспечивает накопление без перезаписи информации до одного года. Если количество информации будет превышать лимит памяти, старые записи будут перезаписываться новыми.
Узел системного времени реализован на микросхеме Dallas. Питание часов осуществляется от стандартной литиевой батареи CR2032, установленной на плате МУ в специальном держателе. В узле ведется автоматический счет текущей календарной даты и времени.

Установка даты и времени производится от технологического компьютера с установленным программным обеспечением по интерфейсной линии связи USB.
Узел формирования интерфейса предназначен для формирования электрических сигналов стандарта RS-485. Узел обеспечивает гальваническую развязку между электрическими цепями модуля управления и линией связи.
Интерфейс предназначен для осуществления обмена информацией между КППУ и сервисной программой, установленной на технологическом компьютере.

Узел формирования интерфейса CAN устроен следующим образом. Согласно техническому заданию электронный блок оснащен двумя каналами интерфейса CAN. Оба узла предназначены для формирования электрических сигналов стандарта CAN. Они обеспечивают гальваническую развязку между электрическими цепями модуля управления и линиями связи. Интерфейсы предназначены для осуществления обмена информацией между КППУ и информационной системой ТПС. Состав информационных данных уточняется на стадии проектирования.
Узел опроса бортовых кнопок и управления бортовыми индикаторами действует следующим образом. По обоим бортам ТПС установлены кнопки запуска автоматического тестирования работы электропневмоклапанов и светодиодные индикаторы общего состояния системы противоюзной защиты «Норма» или «Отказ».
Управление светодиодными индикаторами осуществляется центральным процессором, расположенным на плате модуля управления. Выходные цепи управления светодиодными индикаторами оборудованы самовосстанавлива-ющимися предохранителями. Они защищают выходные транзисторы от повреждений при неполадках во внешних электрических цепях ТПС.
После запуска системы и проведения цикла диагностики на бортовые светодиодные индикаторы выдается интегральная информация об общем состоянии системы противоюзной защиты. Если все цепи и узлы системы исправны, загорается индикатор зеленого цвета. Если в системе обнаружена какая-либо неисправность — загорается индикатор красного цвета. Уточнить вид неисправности можно по индикации на лицевой панели электронного блока или с использованием технологического компьютера.
Бортовые светодиодные индикаторы включены только на стоянке. С началом движения они гаснут.
С помощью бортовых кнопок проводится цикл автоматической проверки работоспособности ЭПК. Цикл проверки следующий:

• • после однократного нажатия кнопки гаснет светодиод общего состояния системы («Норма» или «Отказ»);
• • после временной задержки выдается команда на сброс воздуха из тормозного цилиндра первой колесной пары;
• • индикатор наличия воздуха в тормозном цилиндре первой колесной пары должен погаснуть и по наполнению тормозного цилиндра — вновь зажечься;
• производится замер времени сброса воздуха;
• • если время сброса воздуха не превышает норматива, на 1 с должен загореться светодиод зеленого цвета «Норма», по истечении указанного времени этот светодиод должен погаснуть;
• • если время сброса превышает норматив — загорится на 1 с светодиод красного цвета «Отказ», затем светодиод погаснет;
• • далее после временной задержки производится проверка времени сброса воздуха из тормозного цилиндра второй колесной пары и т.д.;
• • после окончания проверки всех колесных пар и после временной задержки на бортовые индикаторы вновь выводится информация об общем состоянии системы.

Бортовые кнопки при начале движения блокируются.
Модуль ОД в целом представляет собой двухканальный преобразователь-формирователь, обеспечивающий преобразование изменяющегося светового потока в импульсные сигналы с частотой следования, прямо пропорциональной угловой скорости движения колесной пары, и формирование из них логического сигнала для передачи его на вход ЭБ КППУ по любому из двух каналов, находящемуся в исправном состоянии.
Управление переключением каналов модуля ОД производится ЭБ путем переключения напряжения питания с одного канала на другой. Выходной каскад, собранный по схеме с открытым коллектором, является общим для обоих каналов и работает с приемной оптопарой ЭБ в режиме токовой петли.

Двухканальный модуль осевого датчика собран на специальной точной технологической оснастке. В модуле используются оптоэлектронные датчики с обратной связью, что позволяет компенсировать снижение эмиссии излучающего светодиода и обеспечивать при правильной эксплуатации установленный режим работы в течение длительного времени.
Двухканальный модуль осевого датчика ОДМ-2 имеет конструкцию, обеспечивающую гарантированное сохранение работоспособности при эксплуатационном износе кассетных подшипников колесной пары и возрастании продольного люфта оси колесной пары до 1 мм.
Сам модуль ОД имеет четырехштырьковый разъем подключения присоединительного кабеля, что значительно облегчает замену модуля в случае необходимости.
Подключение модуля осевого датчика к электрическим цепям ТПС осуществляется через присоединительный кабель, конец которого оснащен разъемом для подключения к коммутационной плате кабельной коробки, установленной на боковой поверхности рамы тележки.
Подача плюса питания на провод вывода сигнала неизбежно приводит к выжиганию выходного транзистора и, следовательно, к выходу из строя модуля осевого датчика.