Аппаратно-программный комплекс для моделирования и автоматизированного управления движением поезда Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.337.1:681.326.3

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ И АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ПОЕЗДА

© 2012 г. К.И. Юренко *, Е.И. Фандеев**

* Филиал ООО «ТРТранс», ** Branch of LLC «TPTrans»

г. Новочеркасск Novocherkassk

**Южно-Российский государственный **South-Russian State

технический университет Technical University

(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Микропроцессорная система перспективных локомотивов обеспечивает управление, контроль и диагностику всего бортового оборудования, а также функцию автоматизированного ведения поезда. Натурные испытания системы с реальным локомотивом на участке железной дороги затруднены в связи с их высокой стоимостью и созданием помех движению. Разработанные аппаратно-программный комплекс и имитационная компьютерная модель позволяют заменить часть натурных испытаний системы управления вычислительным экспериментом. Приведены результаты имитационного моделирования и натурных испытаний на испытательном кольце.

Ключевые слова: аппаратно-программный комплекс; система управления; имитационное моделирование; электровоз; автоведение; уравнение движения.

Microprocessor system for perspective locomotives provides the control, monitoring and diagnostics of the whole onboard equipment, as well as the function of the automated driving of the train. Full-scale testing of the system with the real engine of the section of the railway is complicated due to the high cost and creating a nuisance. Developed hardware-software complex and simulation computer model can replace a part of the full-scale tests of control systems of computing experiment. Present the results of simulation and full-scale tests on a test ring.

Keywords: hardware-software complex; train control management system; simulation; electric locomotive; autodriving system; the equation of train motion.

Бортовые системы управления (БСУ) для локомотивов нового поколения должны обеспечивать управление всем локомотивным оборудованием, включая тяговый и вспомогательный приводы, подсистему собственных нужд, электрические аппараты, а также связь между разными подсистемами. При этом в состав БСУ должны входить подсистемы безопасности, автоматизированного ведения поезда (автоведения), спутниковой навигации, диагностики и телекоммуникаций. Последняя должна осуществлять взаимодействие с интеллектуальными железнодорожными системами и передачу диагностической информации в реальном масштабе времени в центр управления и сервисным службам [1, 2].

Сложность и трудоёмкость разработки, наладки и испытаний таких систем непрерывно увеличивается, а требуемые сроки неуклонно сокращаются. Создание отдельных модулей и блоков может вестись разными группами разработчиков, а некоторых подсистем (например, локомотивные системы безопасности, тяговые и вспомогательные преобразователи) -сторонними организациями, в том числе и зарубежными. По этой причине разработка, наладка и испытания алгоритмов и программного обеспечения (ПО) центрального блока управления (ЦБУ) электровозом затруднена, поскольку требует нали-

чия всех остальных подсистем. Это существенно усложняет наладку и испытания системы управления в целом.

Для преодоления указанных проблем была разработана и внедрена технология наладки и испытаний БСУ на основе специализированного аппаратно-программного комплекса (АПК) (стенда) и имитационного моделирования. Функциональная схема этого комплекса, показанная на рис. 1, включает в себя прототипы ЦБУ, дисплейного модуля на пульте машиниста, имитаторы основных бортовых подсистем, связанных с центральным блоком, и компьютерную имитационную модель [3, 4].

Комплекс был построен на основе структуры БСУ, а ЦБУ состоит из процессорного модуля, приемника спутниковой навигации GPS/ГЛОНАСС, коммуникационного модуля GSM/GPRS, контроллеров коммуникационных каналов связи, системного контроллера «ввода - вывода». Программное обеспечение центрального процессора включает функциональное ПО системы управления, а также компьютерную имитационную модель. Модули GPS/ГЛОНАСС и GSM/GPRS используют совмещённую приёмопередающую антенну. Контроллеры коммуникационных каналов связи отвечают за информационное взаимодействие между ЦБУ и остальными бортовыми подсистемами на основе CAN-интерфейса.

Антенна GPS/GSMIГnОНАСС

Р Комплексная система . обеспечения I безопасности движения

Тормозная подсистема

Имитатор сетевого контроллера

Система управления тяговым приводом

Имитация сигналов автоблокировки

CANOpen -протокол

Модуль GPSIГЛОНАСС

Модуль GSM/GPRS

Центральный процессор

Функциональное ПО

ПО имитационной модели

Контроллеры коммуникационных каналов

Системный контроллер ввода-вывода

f

11 i

Контроллер машиниста, блоки сенсорных клавиш

Имитатор пульта управления машиниста на базе ПК

Блоки управления

оборудованием □ ••• □

Монитор

Сервисный компьютер

1

Имитаторы внешних подсистем

Клавиатура

Дисплейный модуль на пульте машиниста

Рис. 1. Функциональная схема комплекса для имитационного моделирования БСУ

Системный контроллер «ввода - вывода» предназначен для подключения отладочных устройств (монитора, клавиатуры), а также сервисного персонального компьютера (ПК). Внешний вид основных компонентов комплекса представлен на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид разработанного аппаратно-программного комплекса

Он построен на базе промышленного 1ВМ-совместимого компьютера. Его ПО включает систему индикации параметров движения (СИД) и продольного профиля пути (рис. 3), позволяющую оперативно отображать на экране дисплея текущие параметры движения, положение поезда на перегоне, сигналы светофоров и рекомендации машинисту по управлению поездом, а также информацию о текущих неисправностях оборудования и рекомендации по их устранению.

Дисплейный модуль пульта машиниста предназначен для реализации человеко-машинного интерфейса, а также информационного обеспечения локомотивной бригады и сервисных служб.

Имитатор комплексной системы безопасности позволяет передавать в систему коды сигналов автобло-

кировки (локомотивного светофора). Имитатор сетевого контроллера, входящего в состав системы управления тяговым приводом компании АЫот, построен на базе САЫОреп устройства «ввода - вывода» и специализированного программного обеспечения. Органы управления кабины машиниста (контроллер машиниста, блоки сенсорных клавиш и др.) могут быть установлены реальные или имитироваться с помощью разработанного ПО для ПК, подключенного к каналу связи ЦБУ с помощью адаптера USB-to-CAN.

Каб.О Нет движ-я Ручное управление Разобрана ЭПТ 0.0 KB

Главный Диатос- Архив Ввод

кадр тика сообщай данных

Рис. 3. Кадр СИД и продольного профиля

В настоящее время наличие в системе верхнего уровня системы автоматизированного ведения поездов является обязательным требованием заказчика. Создание и внедрение систем автоведения является одним из приоритетных направлений совершенствования подвижного состава [5, 6]. Их использование позволяет: улучшить условия труда локомотивных бригад; повысить точность выполнения графика движения поездов; улучшить использование пропускной способности участков; обеспечить выбор энергетиче-

ски рациональных режимов ведения поезда и адаптацию к различного рода возмущениям; повысить безопасность движения; автоматизировать сбор и обработку данных по эксплуатации парка подвижного состава в депо; создать предпосылки для решения задачи управления одним лицом (без помощника машиниста в составе локомотивной бригады).

Вместе с тем наладка и испытания систем автоведения на участке железной дороги занимают продолжительное время, что ведёт к созданию помех движению поездов на выбранном участке, выводу локомотивов из эксплуатации на время испытаний, дополнительным расходам электроэнергии, воздействию на путь и износу оборудования локомотивов. На результаты испытаний оказывает влияние множество случайных факторов (напряжение контактной сети, сигналы светофоров, погодные условия и др.). Сложность формирования длинносоставных, тяжеловесных и сдвоенных поездов, а также риск, связанный с потенциальной опасностью схода поезда с рельсов или разрыва состава при проведении испытаний на участках со сложным профилем пути, особенно при испытании новой техники, затрудняют наладку систем, испытания в критических условиях эксплуатации, а также выбор оптимальных режимов работы локомотивов и графика движения. Поэтому для разработки, наладки и испытаний системы автоведения целесообразно использование имитационного моделирования на основе рассмотренного стенда. Разработанная имитационная модель автоматизированного управления движением построена на основе классических положений теории электрической тяги, механики и электротехники [7].

Специализированная база данных содержит характеристики различных моделей электровозов и данные об участках железной дороги: информацию о профиле пути на участке железной дороги (значения уклонов профиля в зависимости от координаты), информацию об ограничениях скорости на участке железной дороги, расположение объектов путевой инфраструктуры (светофоров, нейтральных вставок, станций, переездов, приборов обнаружения нагретых букс).

В качестве исходных параметров модель предполагает задание маршрута следования, числа вагонов и их загруженности (для грузовых поездов), значения или закона изменения напряжения контактной сети и сил основного сопротивления движению. В реальном масштабе времени задаётся последовательность переключения сигналов путевых светофоров.

В основе математической модели лежат следующие дифференциальные уравнения движения поезда [5, 7]: ds

dt

■ = v;

dv

(1 "У) — = ?"™о(у) "^д^)-Ь,

где 1 - текущее время; dv|dt - ускорение поезда; у , 5 -скорость и пройденный путь; / = F / (Р + О), Ь = В / (Р + О) - удельные силы тяги и торможения; F, В - сила тяги локомотива и тормозная сила; Р ,

О - массы локомотива и состава; wо (у) , (5) -

удельные основное сопротивление движению поезда и дополнительное сопротивление движению от уклонов и кривых пути; у - коэффициент инерции вращающихся масс.

Значения величин wо и рассчитываются по известным формулам, рекомендованным в [8]: wо = Pw'о + Qw" /(Р + О), где w'о и w"о - удельные основные силы сопротивления движению, соответственно локомотива и состава. Сила удельного сопротивления движению нелинейно зависит от скорости и в общем случае определяется выражениями [9]:

w" = а0 + а1У + а2У2 ; w"' = Ь0 + (Ь1 + Ь2у + Ь3у2)/q0 .

Здесь ао, а1, а 2, Ь0, Ь1, Ь2, Ь3 - коэффициенты, зависящие от особенностей конструкции единиц подвижного состава и особенностей устройства железнодорожного пути; q" - осевая нагрузка вагона. Коэффициенты а0, а1 и а2 зависят также от режима работы локомотива (тяга/электрическое торможение или выбег/механическое торможение).

Дополнительное сопротивление движению от уклона (подъёма или спуска) для всех видов подвижного состава численно принимают равным значению промилле подъёма (со знаком «+») или спуска (со знаком «-») действительного или спрямлённого участка пути, т.е. wд = ± [%0].

Для электровозов с дискретным (ступенчатым) регулированием силы тяги (ЭП2К, 2ЭС4К) режим управления определяется двумя параметрами: номером ступени управления напряжением N и номером

ступени ослабления возбуждения . При этом скорость поезда у , сила тяги электровоза F и ток тягового двигателя I связаны с N и следующими

соотношениями: F = п^да(1, ЦД^) = ЛЖ^») + + Rд(Nсу)] + усФ(I, N"B), где R - сопротивления обмоток якоря и полюсов тягового двигателя; Rд - добавочное сопротивление, приведённое к одному тяговому двигателю (сопротивление пусковых реостатов); идв - напряжение на токоприёмнике, приведённое к одному двигателю; Ф - магнитный поток двигателя; с - постоянный коэффициент; пдв - число тяговых двигателей; Fдв - сила тяги одного двигателя. Зависимости Ф(I,N"B) и FдB(I,N"B) являются постоянными характеристиками тягового двигателя и не зависят от напряжения контактной сети идв [5]. Для систем с плавным регулированием силы тяги (ЭП1, 2ЭС5К, ЭП20) система тягового электропривода может быть представлена в виде апериодического звена dF

1-го порядка [9]: Ттэп"^+ = Fзад, где Ттэп - постоянная времени; Fзад, Fэл - заданное и фактическое значения силы тяги.

С

D

1. Ввод исходных данных

1 г

2. Загрузка данных

из базы данных

База данных

"'НЕТ

1 г

26. Отпуск тормоза

Рис. 4. Блок-схема алгоритма моделирования движения поезда

0. Начало

Тормозная сила поезда определяется с использованием методики тормозных расчётов [8] и вычисляется как произведение расчётного коэффициента трения колодки и суммарной расчётной силы нажатия колодок: В = 1000^ Кфк , где фк - расчётный коэффициент трения колодки; ^ К - суммарная расчётная

сила нажатия колодок.

Для расчета скорости поезда решается основное уравнение движения методом Эйлера, обеспечивающим приемлемую точность [5]:

у(1 + А1) = у(1 ) + А1и СУ / dt; 5(1 + А1) = 5(1) + 0, 5[у(1 + А1и) + у(1 )]А1и .

Работа управляющих контуров системы автоведения моделируется с помощью разработанных алгоритмов и программных модулей, реализующих энергооптимальную траекторию движения поезда с учётом выполнения графика движения согласно расписанию, а также требований и норм безопасности движения.

Расход электроэнергии для поездов с электрической тягой без рекуперативного торможения и с таким торможением определяется интегралами:

T Fv Аэ = Г — dt;

о Л

Аэ =J

Fv Л

Лр Bv

dt,

где у - скорость; ц, цр- КПД тягового привода и

привода в режиме рекуперации соответственно; В -сила рекуперативного торможения.

Блок-схема алгоритма ПО, разработанного для имитационного моделирования, представлена на рис. 4. Блоки 1-4 обеспечивают ввод исходных данных и загрузку базы данных. Блок 5 реализует возможность имитации сигналов светофоров. Блоки 6, 22, 24 моделируют режим управления в зависимости

от сигналов светофоров - выбор оптимальной траектории движения с учётом возможных ограничений в случае жёлтого или белого сигналов (блоки 23, 7, 8) и выполнение остановочного торможения на красный (блоки 24-30). Моделирование остановки на станции выполняют блоки 10-15, а проследование станции -блок 17. Блоки 9, 14, 19 обеспечивают проверку конца перегона и конца плеча обслуживания.

На рис. 5 приведена траектория движения поезда № 68 по перегонам Омск-Московка-Сыропятское-Кормиловка плеча обслуживания Омск-Новосибирск с пассажирским электровозом постоянного тока ЭП2К и 21-м вагоном, полученная в результате имитационного моделирования.

Управление поездом осуществлялось с помощью модуля автоведения, реализующего расчет энергетически рациональной траектории движения при соблюдении графика движения согласно расписанию методом динамического программирования. На верхнем графике представлены максимально допустимая и фактическая скорости движения. На среднем графике приведена форма профиля пути на данном участке. Начало участка характеризуется подъемом, равным 5 - 6 %о. Последующая часть пути представляет собой комбинацию из равнинных участков и небольших спусков величиной до 2 %. На нижнем графике показано изменение тока тяговых двигателей. Из рисунка видно, что рассчитанная с помощью оптимизационного алгоритма траектория движения включает чередование участков движения в тяге и на выбеге, что является энергетически рациональным режимом движения.

С помощью созданной имитационной модели была осуществлена наладка функций выполнения ограничений скорости и реакции на сигналы светофора системы автоведения электровоза ЗЭС5К. На рис. 6 приведены результаты сертификационных испытаний данной системы на испытательном кольце НЭВЗа.

Рис. 5. Результаты моделирования движения поезда в режиме автоведения на перегонах Омск - Московка - Сыропятское - Кормиловка по расписанию поезда № 68 (расположения станций обозначены буквой «С»)

Текущее (московское) время J

!

О О чЧ чЧ n¡ nJ rt ^ ^ LT¡ L/"! J5 Ü Г^ ООООШСПО O H H

v, км/ч 50

м ifi Û di fl ^ í

^ 'D Т tí N -t -

л m н ifl

щф ы ^ н-

О N 4D

N^oos^rtHfficaoo

_ "Л Г^ СП Í-» НО ЧО iû fl О Г tf (<í tff (VÎ rff (íf ci rtï i

И rt ffi Ifl N

NN H a и

H fl fM N íj-

Рис. 6. Результаты испытания системы автоведения электровоза 3ЭС5К на кольце НЭВЗа

Разработанные АПК, алгоритм и ПО для имитационного моделирования позволяют заменить часть натурных испытаний системы управления вычислительным экспериментом, что способствует сокращению стоимости испытаний и сроков их выполнения. Разработанные алгоритмы и ПО для расчёта энергетически оптимальной траектории движения поезда и автоматического управления тормозами обеспечивают реализацию функции системы автоведения, которая в соответствии с требованиями заказчика является обязательной для современных локомотивов. Результаты выполненной работы были апробированы при сертификационных испытаниях электровоза 3ЭС5К на кольце НЭВЗа.

Литература

1. Орлов Ю.А., Юренко И.К., Юренко К.И. Особенности разработки программно-алгоритмического обеспечения систем автоматического управления и автоведения для электровозов нового поколения // Вестн. Восточноукра-инского нац. ун-та им. Вл. Даля. Луганск, 2009. № 4 (134) Ч. 1. С. 207 - 210.

2. Гапанович В.А., Поплавский А.А. Интеллектуальные железнодорожные системы: состояние и направления развития // Железнодорожный транспорт. 2009. № 11. С. 63 - 67.

3. Юренко К.И., Юренко И.К. Имитационное моделирование систем автоведения поездов // Политранспортные системы Сибири : материалы VI Всерос. НТК, Новосибирск, 21-23 апреля 2009 г.: в 2 ч. Новосибирск, 2009. Ч. 2. С. 388 - 391.

4. Юренко К.И., Юренко И.К., Сафонов В.И. Мехатронный комплекс для проведения испытаний на железнодорожном транспорте // Мехатроника и робототехника. Современное состояние и тенденции развития: сб. тез. и статей Всерос. конф. с элементами научной школы для молодёжи, г. Новочеркасск, 20-24 сентября 2010 г. Новочеркасск, 2010. С. 23 - 28.

5. Микропроцессорные системы автоведения электроподвижного состава / Л.А. Баранов [и др.] / под ред. Л.А. Баранова. М., 1990. 272 с.

6. Юренко К.И., Юренко И.К. Системы автоведения электроподвижного состава. Принципы построения и варианты реализации // Вестн. Восточноукраинского нац. ун-та им. Вл. Даля. Луганск, 2008. № 5 (123). Ч. 2. С. 68 - 70.

7. Розенфельд В.Е. Исаев И.П., Сидоров Н.Н. Теория электрической тяги: учебник для вузов ж.-д. трансп. М., 1983. 328 с.

8. Правила тяговых расчётов для поездной работы. М., 1985. 287 с.

9. Пудовиков О.Е. Управление длинносоставными тяжеловесными грузовыми поездами // Электрическое научное периодическое издание «Управление большими системами; сб. научн. трудов» Вып. 29. Гос. регистрационный номер: 0421000023 \ 0024. - ИПУ РАН, 2010. С. 214 - 231.

Поступила в редакцию 27 января 2011 г.

Юренко Константин Иванович - канд. техн. наук., начальник отдела систем управления ООО «ТРТранс», доцент, кафедра «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). E-mail: [email protected].

Фандеев Евгений Иванович - докт. техн. наук, профессор, кафедра «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). E-mail: [email protected]

Yurenko Konstantin Ivanovich - Candidate of Technical Sciences, head of the department of control systems Branch of LLC «ТРТгаш» in Novocherkassk, assistant professor, department «Automation and Management of Technological Processes and Productions», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). E-mail: [email protected].

Fandeyev Evgeny Ivanovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Automation and Management of Technological Processes and Productions», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). E-mail: [email protected]_