CC BY
19
УДК 681.325 Антипин Евгений Игоревич,
аспирант кафедры «Автоматика и телемеханика», Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. 89246037782, e-mail: E_Volume@rambler.ru
АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТИПОВОЙ ЛОКОМОТИВНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ
E.I. Antipin
ANALYSIS OF THE STRUCTURE AND FUNCTIONING OF TYPICAL LOCOMOTIVE CONTROL SYSTEMS AND TRAFFIC SAFETY
Аннотация. В статье на основе личного опыта эксплуатации в 2010-2013 гг. комплексной локомотивной системы автоматизированного управления (КЛСАУ) автором предлагается анализ структуры и функционирования типовой КЛСАУ локомотива серии ЭП1(П). Применительно к таким системам рассмотрены состав и номенклатура информационных устройств, отмечены соответствия признакам сложной системы, показаны особенности формирования и обработки первичной информации, а также причины нетестируемых внутрисистемных сбоев и конфликтов во взаимодействии элементов.
Ключевые слова: безопасность движения, системы автоматизированного управления, информационно-управляющие системы.
Abstract. The article, being based on personal experience of operating integrated automated control locomotive system in 2010-2013, offers an analysis of the structure and functioning of a typical locomotive control systems series EP1(P). For such systems, the composition and range of information devices are considered, the relevant characteristics of a complex system are noted, the features of formation and processing of primary information and the reasons intra-systemic failures and conflicts in the interaction elements are shown.
Keywords: traffic safety, automated management information and control systems.
Введение
От состояния и особенностей функционирования локомотивных устройств управления существенно зависит обеспечение безопасности движения железнодорожного транспорта и железнодорожных перевозок. С развитием интенсивности перевозок требования к безопасности, следовательно, и требования к физической, структурной
и информационной надежности функционирования КЛСАУ ужесточаются [1]. Эффективным методом поиска резервов для синтеза алгоритмов функционирования КЛСАУ является метод системного анализа [2].
Метод системного анализа включает: функциональную и структурную декомпозицию объекта исследования с целью определения решаемых задач; анализ алгоритмов его внутреннего функционирования; анализ алгоритмов взаимодействия объекта с внешней средой и исполнительными устройствами; установление внутренних иерархических и структурных связей. Результат системного анализа - модель объекта в многообразии его внутренних состояний и внешних связей, которая является основой структурного синтеза сложной системы с новыми, наперед заданными свойствами.
Цель статьи, выполнить элементы системного анализа типовой КЛСАУ, а именно провести анализ решаемых задач, источников первичной информации, особенностей информационного обмена между элементами КЛСАУ, формирования управляющих воздействий на подвижной состав.
1. Анализ решаемых задач и структура типовой комплексной локомотивной системы автоматизированного управления
Задачи, решаемые при управлении подвижным железнодорожным транспортом целесообразно разделить на главную и вторичные.
Главная задача заключается в обеспечении безопасности движения. Решение её достигается предупреждением или компенсацией воздействий внешних возмущающих факторов [3, 4].
Перечень вторичных задач включает.
- предрейсовую аппаратно-программную диагностику;
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство. _Экономика и управление_
ш
I Управление тягой и рекуперацией I I - -^- I
I
БУТП
ВИП
Рис. 1. Структурная схема типовой КЛСАУ
- автоматическое исполнение графика движения;
- определение текущей координаты и допустимой скорости;
- вычисление расчетной скорости и времени до цели;
- прием и обработку информации с напольных устройств;
- оптимизацию потребления энергии;
- регистрацию параметров движения;
- подготовку и выдачу предупреждающих речевых сообщений и визуальных сигналов о контролируемых параметрах оборудования и систем управления.
Анализ прототипов [5-7] показывает, что КЛСАУ имеет модульную структуру и состоит из функционально взаимосвязанных подсистем управления, диагностики, регистрации, сигнализации и обеспечения безопасности движения (рис. 1).
Конструктивно типовой набор систем автоматизированного управления и обеспечения безопасности движения локомотива серии ЭП1(П) включает [8-11]:
1. Системы управления.
2. Модули регистрации параметров движения.
3. Модули ввода-вывода.
4. Исполнительные устройства.
Состав систем управления содержит:
а) микропроцессорную систему управления и диагностики (МСУД);
б) комплекс автоматизированного управления и диагностики (КАУД);
в) комплексное локомотивное устройство безопасности (КЛУБ);
г) систему автоматического управления торможением (САУТ);
д) телемеханическую систему контроля бодрствования машиниста (ТСКБМ).
Модули ввода-вывода содержат: а) антенну радиоканала (АРК); б) блок ввода данных (БВД);
в) блок индикации МСУД (БИ); г) блок индикации КЛУБ (БИЛ); д) устройство формирования карты (УФК); е) датчики давления (ДД); ж) датчики угловых перемещений (ДПС); з) контроллер управления (штурвал) (КУ); и) приемные катушки (ПК); к) преобразователи давления измерительные (ПД); л) рукоятки бдительности (РБ, РБС); м) антенна приема системы спутниковой навигации (СНС).
Модули регистрации параметров движения: а) регистратор параметра движения и автоведения (РПДА); б) электросчетчик трехфазный (СЭТ); в) кассета регистрации КЛУБ (КР).
Исполнительные устройства состоят из: а) блока управления тяговым преобразователем (БУТП); б) выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП); в) пневматического модуля (ПМ);
г) пневматического тормоза (ПТ); д) электропневматического клапана (ЭПК); е) электропневматического тормоза (ЭПТ).
Несмотря на специализированные названия функциональных составляющих частей КЛСАУ, выполнение почти всех его функций осуществляется одновременным функционированием всех структурных элементов.
2. Особенности формирования и обработки первичной информации КЛСАУ
Соответствие КЛСАУ сложной информационно-управляющей системе доказывается анализом первичных источников информации, а также способов и средств последующей её обработки, хранения и применения (рис. 1, 2).
Перечень источников первичной информации систем, входящих в состав КЛСАУ, представлен в табл. 1.
Из табл. 1 следует, что некоторые датчики первичной информации КЛСАУ (такие как КЛУБ, КАУД, МСУД) дублируют информацию, постав-
ляемую в контур управления. Структурная схема функционирования исключает техническое и информационное резервирование, что понижает показатели надежности КЛСАУ.
3. Информационное взаимодействие источников первичной информации и исполнительных устройств
На основе анализа сформулирована последовательность алгоритма функционирования типовой локомотивной системы автоматизированного управления (рис. 2).
Исходные данные
Датчики первичной информации
Рис. 2. Структура функционирования и распределения первичных источников информации КЛСАУ
Т а б л и ц а 1
Перечень сигналов первичной информации_
№ Вид источника первичной информации Назначение
КЛУБ
1 Датчик угловых перемещений (ДПС) Преобразование угловой частоты вращения колесной пары в последовательность импульсов
2 Датчики давления (ДД) Преобразование давления в тормозных цилиндрах, тормозной магистрали и уравнительных резервуарах в электрические сигналы
3 Приемные катушки АЛСН (ПК) Прием сигналов АЛСН и АЛС-ЕН с рельсовой цепи
4 Контроллер радиоканала (РК) Прием и передачу информации по радиоканалу для взаимодействия систем КЛУБ-У, МАЛС и интервального регулирования движения поездов
5 Антенна приема спутниковой навигации (СНС) Прием сигналов текущей координаты и астрономического времени спутниковых навигационных систем GPS и ГЛОННАС
6 Рукоятки бдительности (РБ, РБС, РБП) и блок индикации (БИЛ) Взаимодействие системы с машинистом
7 Блок ввода данных предрейсового контроля (БВД) Загрузка информации в электронную карту
8 Устройство формирования карты (УФК) Занесение электронной карты во внутреннюю энергонезависимую память
9 Система САУТ Передача команд: разрешения движения, допустимой скорости, информацию о блок-участке
10 Система ТСКБМ Передача сигнала о необходимости проверки бдительности машиниста
САУТ
Приемная антенна (ПА) Прием сигнала от унифицированных путевых генераторов (УПГ)
ТСКБМ
Телеметрический датчик (ТД) Прием параметров электрического сопротивления кожи запястья машиниста
КАУД
1 Датчики давления (ДД) Преобразование давления в тормозных цилиндрах, тормозной магистрали и уравнительных резервуарах в электрические сигналы
2 Предрейсовые данные Информация о составе (его масса, длина, количество вагонов, номер поезда, табельный номер машиниста, временные ограничения скорости, оптимальный расход электроэнергии и т. п.), выбор маршрута следования, режим работы и запуска автоведения
3 Цифровой электросчетчик (СЭТ) Передача информации о напряжении контактной сети, расход энергии в режимах тяги, рекуперативного торможения, отопления вагонов
4 Бортовая база данных (ББД) Электронная карта Информация о профиле пути, постоянных ограничениях скорости, расположении путевых объектов, объектов сигнализации, расписании движения, тяговых характеристиках локомотива
5 Контроллер управления (штурвал машиниста) (КУ); положение рукоятки поездного тормоза; тип выбранной тормозной системы (ЭП, ЭПТ) Взаимодействие системы КАУД с машинистом
6 Система КЛУБ Прием информации АЛСН и астрономического времени
7 Система МСУД Прием данных от кнопочного контроллера блока индикации (БИ) и токов тяговых двигателей
МСУД
1 Кнопочный контроллер блока индикации (БИ); контроллер управления (штурвал машиниста) (КУ); положение рукоятки поездного тормоза; Взаимодействие системы МСУД с машинистом
2 Датчик угловых перемещений (ДПС) Преобразование угловой частоты вращения колесной пары в последовательность импульсов
3 Задатчик тока тяговых двигателей; напряжение синхронизации (иопрон); датчиков углов коммутации ВИП (угол открытия а°) Обратная связь для обеспечения работоспособности ВИП
4 Системы КЛУБ Прием астрономического времени и информации о разрешении движения
5 Системы КАУД Прием информации о режиме работы, заданной скорости, режиме ослабление поля, сбор тяги или рекуперативного торможения
В процессе эксплуатации КЛСАУ следует выделить три этапа функционирования алгоритма.
1. Ввод исходных данных.
2. Обработка информации о текущем состоянии подвижного состава и формирование управляющих воздействий.
3. Обеспечение безопасности движения.
Ввод исходных данных. Перечень исходных данных закладывается в систему непосредственно перед началом движения. Ввод предрейсовых данных осуществляется вручную либо автоматически и включает в себя информацию о составе (его масса, длина, количество вагонов, номер поезда, табельный номер машиниста, временные ограничения скорости, оптимальный расход электроэнергии и т. п.), выбор маршрута следования, режим работы и запуска автоведения.
Обработка информации о текущем состоянии подвижного состава и формирование управляющих воздействий. Данные о текущем состоянии подвижного состава вычисляются по-средствам обработки первичных источников информации КЛСАУ (табл. 1).
Последующая обработка первичной информации средствами локомотивной системы автоматизированного управления формирует два основных вида управляющих воздействий на подвижной состав, а именно управление тягой и торможением (рекуперативным, служебным и экстренным).
В режиме комплексного автоматизированного управления подвижным составом система КАУД функционирует в соответствии с точным временем хода (Урасч), следуя по электронной карте, исходя из заданного графика движения с соблюдением норм безопасности движения [8]. Определение координаты и фактической скорости вычисляются по данным, полученным от датчиков ДПС, с учетом диаметра бандажа и спутниковой навигации (СНС) системы КЛУБ. Управление тягой и рекуперативным торможением (БУТП) на основе выбора энергетически рационального режима следования осуществляется посредством системы МСУД [7].
Для замедления движения применяется рекуперативное, служебное либо экстренное торможение средствами ПТ, ЭПТ, ЭПК с наполнением тормозной магистрали (ПМ) после выполнения торможения.
Информация о параметрах движения и состояния системы выдаются локомотивной бригаде посредством речевых информаторов систем КАУД и САУТ. Для отображения визуальной информации используются блоки индикации систем
МСУД, КЛУБ и САУТ с последующей регистрацией средствами РПДА, СЭТ, КР.
Обеспечение безопасности движения. Безопасность движения в режиме автоматизированного управления обеспечивается системой КЛУБ [9], а именно:
- прием и обработку сигналов АЛСН, АЛСЕН;
- обмен информацией со станционными, переездными и другими устройствами цифровой радиосвязи;
- сравнение допустимой и фактической скорости подвижного состава исходя из данных полученных от устройства спутниковой навигации (СНС), датчиков пути и скорости (ДПС) и электронной карты участка;
- по средствам системы САУТ обеспечивается: прием информации от унифицированных путевых генераторов; расчет тормозного коэффициента; определение программной скорости и расстояния до точки прицельной остановки; формирование команды на отключения тяги и служебное торможение; контроль самопроизвольного движения локомотива; подготовка и выдача речевых сообщений [10];
- вывод информации на блок индикации (БИЛ): сигналов светофора (АЛСН), фактической и допустимой скорости, пройденного пути, текущую координату и время, информацию о блок-участке, давление в тормозной и уравнительной магистралях;
- посредством системы ТСКБМ обеспечивается непрерывный контроль бодрствования машиниста по физиологическим параметрам. В случае обнаружения опасного состояния подается сигнал о необходимости произвести проверку бдительности машиниста при помощи рукояток бдительности (РБ, РБС, РБП), в случае непрохождения проверки происходит экстренное торможение (срыв ЭПК) [11].
Элементы, входящие в состав КЛСАУ, разрабатывались как универсальные функционально законченные системы с целью индивидуального применения для различных железнодорожных подвижных транспортных средств. В отдельности они обладают высоким показателем надежности и отвечают всем требованиям безопасности движения. Комплексный режим работы типового набора систем локомотива ЭП1(П) требует максимального согласования составных элементов между собой, а также минимизации средств управления и информационной индикации.
Вывод
В ходе системного анализа типовой системы управления и обеспечения безопасности движения локомотива серии ЭП1(П) установлено, что данная система базируется на модульном принципе функционирования с параллельным распределением и обработкой информации, что приводит к непроизводительным затратам на дублирование ряда выполняемых функций и применение дополнительных аппаратно-программных средств согласования для комплексного режима работы.
Применение рассмотренной архитектуры обработки информации и взаимодействия локомотивной системы автоматизированного управления и обеспечения безопасности движения неэффективно из-за наличия,
- независимых алгоритмов расчета скорости и координаты систем КАУД и КЛУБ. Это приводит к рассогласованию позиционирования подвижного состава для каждой из систем. Разность позиционирования увеличивается от пройденного расстояния. При прохождении координаты с отметкой об изменении ограничения скорости движения эта разность может привести к срыву ЭПК (применение экстренного торможения) в случае нарушения скоростного режима [1];
- независимых электронных карт систем КАУД и КЛУБ, приводящего к ошибкам формирования управляющих воздействий. Это требует от разработчиков электронных карт согласованного взаимодействия и своевременного внесения изменений как по скоростному режиму, так и по расположению напольных объектов, объектов сигнализации, информации о профиле пути, что не всегда выполняется [1];
- несвоевременной доработки или обновления управляющих программ систем КАУД, КЛУБ, МСУД, что приводит к нетестируемым внутрисистемным сбоям и конфликтам в работе КУСАУ [1];
- множества дублирующих информационных объектов, таких как дисплеи, табло-индикаторы, речевые информаторы, приводящего к ухудшению информационной эргономики.
Несмотря на информационное и функциональное дублирование, отказ одного из элемента составных устройств КЛСАУ приводит к выводу из эксплуатации всего локомотивного комплекса или ряда подсистем со значительным ухудшением эффективности обеспечения безопасности движениях [12].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Электронный журнал учета обслуживания системы автоведения: ЗАО «ДЦВ» ВСЖД. URL: http://www.ocv.ru/dcv/mdex1c06.html?ro=2 (Дата обращения: 22.05.2013).
2. Блауберг И. В. Юдин Э.Г. Становление и сущность системного подхода М. : Наука, 1973. 269 с.
3. Антипин Е. И. Марюхненко В. С. Логико-вероятностная модель количественной оценки безопасности движения транспорта // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2012, С. 33-39.
4. Марюхненко В. С. Показатели надежности информационных управляющих систем с аппаратными и информационными отказами как комплексные функции времени // Вестник СГАУ. 2009. №1 (16). С.10-17.
5. Электровоз ЭП1(П). Руководство по эксплуатации. Описание и работа. Электрические аппараты. ИДМБ.661142.004-01РЭ4. Новочеркасск: НЭВЗ. 2007. 261 с.
6. Электровоз ЭП1(П). Руководство по эксплуатации. Использование по назначению. ИДМБ .661142.004-01РЭ7. Новочеркасск: НЭВЗ. 2007. 144 с.
7. Микропроцессорная система управления и диагностики оборудования электровозов (МСУД-Н). Руководство по эксплуатации. ИДМБ.421455.001РЭ. Новочеркасск : ВЭлНИИ. 2003. 95с.
8. Универсальная система автоведения электровозов пассажирского движения (УСАВП-ЭП1(П)). Руководство по эксплуатации. АЮВП.468382.010РЭ. М : АВП-Технология, 2006. 83с.
9. Устройство КЛУБ-У. Руководство по эксплуатации. 36991-00-00РЭ. Ижевск : ИРЗ, 2009. 132с.
10. Локомотивная аппаратура системы автоматического управления торможением поездов (САУТ-ЦМ/485). Руководство по эксплуатации 97Ц.06.00.00 РЭ. М., 2005. 23с.
11. Телемеханическая система контроля бодрствования машиниста (ТСКБМ) Руководство по эксплуатации НКРМ.424313.003 РЭ. М., 2007. 82 с.
12. Оценка эффективности типовой комплексной системы навигации / В. С. Марюхненко, Ю. Ф. Мухопад, Е. И. Антипин, С. В. Туринцев // Полет. 2012. №2. С.25-35.
