Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ выполненных работ, постановка целии задач 8
1.1 Анализ микропроцессорных систем управления электровозов и способов отладки их программного обеспечения 8
1.2. Анализ электрической схемы электровозов ЧС 2 и способа модернизации этого электровоза при капитальном ремонте с продлением срока службы 19
1.3. Постановка цели и задач работы 24
Глава 2. Разработка интерфейса связи микропроцессорной системы управления с математической моделью электровоза 26
2.1. Выбор технических устройств для создания интерфейса 26
2.2. Разработка программного обеспечения интерфейса 31
2.3. Опытная проверка интерфейса 35
2.4. Выводы по второй главе 40
Глава 3. Разработка математической модели электровоза постоянного тока 41
3.1. Математическая модель электрической части электровоза достоянного тока 41
3.2. Математическая модель механической части электровоза 52
3.3. Выводы по третьей главе 82
Глава 4. Анализ результатов расчета и разработка предолжений по совершенствованию силовой схемы электровоза ЧС2К 84
4.1 .Анализ результатов расчета 84
4.2 Разработка предложений по совершенствованию пускового реостата .
4.3. Результаты расчета электромеханических процессов при срыве сцепления 101
4.4. Разработка методики отладки алгоритма программного обеспечения МПСУ 129
4.5. Выводы по четвертой главе 135
Общие выводы по результатам работы 136
Список литературы ш
- Анализ электрической схемы электровозов ЧС 2 и способа модернизации этого электровоза при капитальном ремонте с продлением срока службы
- Разработка программного обеспечения интерфейса
- Математическая модель механической части электровоза
- Разработка предложений по совершенствованию пускового реостата
Введение к работе
Железные дороги являются основными транспортными артериями нашей страны, обеспечивающим надежное функционирование народного хозяйства и жизнеобеспечения населения. Ими выполняется более половины общего грузооборота и треть пассажирских перевозок в стране [1, 2. 3].
В условиях дефицита финансовых средств Российское Агентство Железнодорожного Транспорта разработало и осуществляет специальную программу повышения эффективности работы железнодорожного транспорта, одной из главных мер которой является снижение эксплуатационных расходов железных дорог, оснащение их более мощными и надежными локомотивами.
В частности, для достижения поставленной цели практически весь современный подвижной состав начинают оснащать микропроцессорными системами управления (МПСУ). В этих системах применяют элементы высокой степени интеграции. Поэтому в состав МПСУ входит небольшое число элементов, благодаря чему снижается не только потребляемая мощность всей системы, но и повышается уровень надежности, что приводит к уменьшению затрат на обслуживание и ремонты [57].
В последнее время с целью обновления локомотивного парка железных дорог для локомотивов, выработавших ресурс, выполняют капитальный ремонт с продлением срока службы (КРП), КРП позволяет значительно снизить затраты на обновление парка., которые были бы максимальными в случае покупки новых локомотивов. Наряду со сменой электрического и механического оборудования при КРП устанавливают МПСУ с новыми алгоритмами и программами управления. Однако, в нашей стране практикуется только два способов отладки этих алгоритмов и программ: либо на стендах большой мощности с силовыми элементами электровоза и тяговыми двигателями, либо непосредственно на электровозе. И в том и другом случае программные ошибки систем управления могут привести к порче дорогостоящего электри-
ческого оборудования и как следствие к значительным материальным затратам.
Таким образом, задача создания способа проверки алгоритмов и программ микропроцессорных систем управления, который бы позволял в полной мере оценивать работу локомотива с новой микропроцессорной системой управления, его скоростные и тяговые характеристики и вместе с тем исключал бы возможные ошибки в программах является актуальной.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Разработка комплекса для отладки алгоритмов и программ микропроцессорных систем управления подвижного состава, включающего в себя имитационную модель электровоза и набор периферийных устройств, обеспечивающих стыковку модели с системой управления.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
разработан интерфейс связи микропроцессорной системы управления с математической моделью электровоза; разработана математическая модель электрической и механической части электровоза постоянного тока ЧС2К в программном пакете "LabVIEW";
разработана методика отладки алгоритма программного обеспечения МПСУ электровоза ЧС2К,
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Для моделирования электромагнитных процессов в тяговом электроприводе электровозе постоянного тока ЧС2К использовался программный пакет Lab VIEW.
При стыковке модели электровоза и микропроцессорной системы управления использовались платы цифроаналогового преобразователя и цифрового ввода-вывода фирмы National Instruments.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ
разработана модель электровоза постоянного тока в программном пакете LabVIEW, учитывающая совместно процессы, протекающие в электрической части, вертикальные колебания рамы тележки а также вертикальные и крутильные колебания колесно-моторного блока;
разработана методика стыковки микропроцессорных систем управления с отладочной моделью;
на основе анализа электромагнитных процессов, полученных в результате моделирования электрических цепей электровоза ЧС2К, разработана схема нового пускового реостата этого электровоза.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ
Проведенные исследования позволили:
разработать комплекс для отладки алгоритмов и программ систем управления электроподвижного состава; определить ступени нового пускового реостата электровоза ЧС2К и таблицу замыкания контакторов.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Основные результаты работы докладывались и одобрены:
на научно-технической конференции «Наука - транспорт -2005» («Неделя науки - 2005») МИИТа; международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabView и технологии National Instruments» ESKa-NI-05 МОСКВА, РОССИЯ, НОЯБРЬ -18-19, 2005.
ПУБЛИКАЦИИ
Опубликовано 5 печатных работ, из них 4 по теме диссертации,
А. Н. Савоськин, М С. Антонюк, И. В. Корзина. «Исследования времен срабатывания электропневматических контакторов электровоза постоянного тока ЧС2К». «Вестник МИИТа» №14, 2006 г.
А. Н. Савоськин, М, С. Антонюк, И, В. Корзина «Разработка интерфейса связи микропроцессорной системы управления с математической моделью электровоза». Труды научно-практической конференции Неделя науки -2005 «Наука-транспорту>>.-М:МИИТ, 2005.
А, Н. Савоськин, О. Е. Пудовиков, И. В. Корзина. «Имитационная модель электровоза для отладки алгоритмов и программ микропроцессорных систем управления». Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: Тезисы LXVI Международной научно-практической конференции,-Д. :ДИИГГЭ 2006.-442C.
А. Н. Савоськин, О, Е. Пудовиков, И. В. Корзина. «Имитационная модель для систем управления электровозами» «Мир транспорта» №2, 2005 г., с 78-85.
Анализ электрической схемы электровозов ЧС 2 и способа модернизации этого электровоза при капитальном ремонте с продлением срока службы
Пассажирские электровозы ЧС2 чехословацкие заводы "Шкода" строили специально для железных дорог Советского Союза в шестидесятых годах. ЧС2 предназначен для пассажирского движения на линиях с шириной колеи 1524 мм, электрифицированных на постоянном токе с номинальным напряжением 3000 В [30]. Все электрическое оборудование рассчитано на работу при кратковременном повышении напряжения на токоприемнике до 4000 В и снижении его до 2200 В.
Электрическая схема электровоза ЧС2 представлена на рис. 1.3. Переключение тяговых двигателей с одного соединения на другое и различные комбинации соединения пусковых сопротивлений осуществляются главным групповым переключателем. Контакторы с номерами от 01 до 22 и 38 осуществляют переключения в цепях пусковых сопротивлений, контакторы с номерами от 23 до 37 и 39, обозначенные на схеме соответственно номерами 0423-0437, 0439 производят переключение тяговых двигателей с одного соединения на другое. В системах с групповым переключателем все контакты, которые замыкают и размыкают секции пускового реостата и переключают цепи тяговых двигателей, конструктивно объединены в один аппарат и управляются обшим кулачковым валом. В отличие от индивидуальных контакторов, которые имеют только два положения (контакты замкнуты или разомкнуты), приводы групповых контакторов могут иметь несколько положений, число которых определяется числом ступеней регулирования скорости движения.
Электрическая схема электровоза ЧС2 Переход на различные ступени ослабления возбуждения поля производится с помощью специального переключателя, имеющего 16 или 20 контакторов. Защита силовой цепи тяговых двигателей осуществлена быстродействующим переключателем 021, дифференциальным реле 015, а также реле перегрузки 031, 032 и 033, включенных при параллельном соединении тяговых двигателей в цепь каждой группы.
К настоящему времени электровозы серии ЧС2 отработали свой ресурс и в СВЯЗИ с этим ведутся работы по их модернизации с продлением срока эксплуатации после капитального ремонта. Для нового электровоза ЧС2К разработана силовая схема, представленная на рис. 1.2. При этом групповой переключатель заменен на электропневматические контакторы [311. Это позволяет не только осуществить обычные операции - вывод пусковых реостатов и переход с одного соединения тяговых двигателей на другое, но и отключать последние при выходе их из строя за счет изменения программы работы определенных контакторов. Таким образом, предоставляется возможность в необходимых случаях, отключать неисправный тяговый двигатель непосредственно из кабины электровоза.
Предусмотрено изменение схемы силовых цепей, чтобы улучшить качество переходных процессов при переключениях тяговых двигателей с одного соединения на другое на основе использования вентильного перехода. Эти изменения дают возможность снизить расход электроэнергии, а также избегать коммутационных перенапряжений на двигателе.
Реверсирование тяговых двигателей осуществляется переключением обмоток якоря с помощью двух реверсоров по одному на двигателе каждой тележки. В качестве реверсоров предусмотрено применение четырех элементных пневматических переключателей типа ПТ022.
Силовая схема электровоза ЧС2К Необходимые в этих случаях переключения в схеме силовых цепей осуществляются за счет изменений в цепях управления контакторов переключения тяговых двигателей и включения в силовые цепи дополнительно двух электропневматических контакторов (К25 и К29).
Пусковые резисторы включены по повой схеме, при разработке которой приняты меры по повышению их тепловой мощности, уменьшению количества контакторов для переключения секций на пусковых позициях и снижению нагрева. Таким образом, электрическое оборудование и схема электрических соединений электровоза ЧС2К значительно отличается от схемы электровоза 4С2.
Для управления предусмотрена микропроцессорная система управления локомотивом (МСУЛ) разработана специалистами Екатеринбургского научно-производственного предприятия "Горизонт" по заказу УО ВНИИЖ-Та. Микропроцессорный блок управления выполняет следующие функции: управляет контакторами силовой цепи при наборе и сбросе позиций в заданной последовательности, а также контакторами цепей ослабления возбуждения тяговых двигателей на безреостатных позициях; ведет учет расхода электрической энергии раздельно на тягу, собственные нужды и отопление поезда; обеспечивает защиту от перегрузки тяговых двигателей, от повышенного напряжения в контактной сети, от боксования колесных пар, пусковых резисторов от перегрева; контролирует нормальную работу собственных функциональных блоков.
Также программа предусматривает уставки защиты по боксованию, повышенному или пониженном) напряжению, перегрузке тяговых двигателей. Защита от перегрева пусковых резисторов заключается в том, что на любой реостатной позиции, при наборе или сбросе, нельзя задерживаться более 20 с. Микропроцессорная система выполнит либо дальнейший набор, либо дальнейший сброс позиции. С помощью МСУД обеспечивается программная реализация зашиты от боксования путем сравнения напряжений на зажимах тяговых двигателей, которое в свою очередь зависит от эдс двигателя, а следовательно и от скорости движения. Скорость движения локомотива складывается из линейной скорости движения и скорости скольжения колес, которая начинает резко возрастать при изменении условий сцепления.
Спустя некоторое время микропроцессорную систему управления, созданную в Екатеринбурге, было принято решение заменить на другую. Новая микропроцессорная система управления и диагностики локомотива (МСУД) была разработана отраслевым центром внедрения ЗАО "ОЦВ \ У этой системы соответственно были свои новые алгоритмы управления, которые необходимо было опробовать. Вследствие этого появилась необходимость в создании отладочного комплекса для отладки этих алгоритмов. В частности, проверка работоспособности системы управления, проверка соответствия заданным алгоритмам управления, системы зашиты от боксования и т. л.
Разработка программного обеспечения интерфейса
В качестве программного обеспечения интерфейса связи микропроцессорной системы управления с математической моделью электровоза была выбрана программная среда LabVIEW 7Л, [34, 35]
В настоящее время при разработке программ тестирования, автоматизации, и контроля существует выбор между различными видами программного обеспечения. Один из этих видов включает в себя такие традиционные программные языки, как С, C++, и Visual Basic. Для достижения максимальной эффективности применения этих традиционных текстовых языков необходимо знать множество различных функций, синтаксических правил и особенностей среды разработки. Эти средства программирования обладают достаточной гибкостью и расширяемостью.
LabVIEW или Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench (среда разработки лабораторных виртуальных приборов) представляет собой среду графического программирования, которая широко используется в промышленности, образовании и научно-иеследоваїельских лабораториях в качестве стандартного инструмента для сбора данных и управления приборами. Это мощная и гибкая программная среда, применяемая для проведения изме-репий и анализа полученных данных. LabVIEW - многоплатформенная: среда, её можно использовать на компьютерах с операционными средами Windows, MacQS, Linux, Solaris и HP-UX. LabVIEW является средством разработки программного обеспечения, базирующемся на графическом языке программирования. Такой подход к разработке программ значительно уменьшает время обучения пользователей, поскольку графическое представление является более понятной записью для инженеров и ученых, чем текстовый код. В LabVIEW доступ к инструментам и функциям осуществляется через различные палитры, меню и сотни функциональных блоков, известных как виртуальные инструменты (Vis). Для создания программ требуется только перенести эти виртуальные приборы на диаграмму, благодаря чему время между начальной отладкой программы до заключительного этана её создания сокращается.
Каждый виртуальный прибор состоит из двух элементов: блок-диаграммы и лицевой панели. Лицевая панель ятаяется графическим интерфейсом пользователя, где пользователь программы может вводить команды и манипулировать такими объектами, как кнопки и переключатели, для управления программой. Кроме того, на лицевой панели отображаются результаты работы программ посредством индикаторов, диаграмм и многих других средств отображения графической информации.
В Lab VIEW при работе программ осуществляется программирование потока данных. При этом данные проходят от одного виртуального прибора к другому, определяя порядок выполнения и функциональность всего приложения. Блок-диаграммы состоят из функций, представленных иконками и соединительными линиями. Данные переходят от одной функции к другой, и каждая функция не приступит к работе, пока к ней не будут подведены все необходимые для работы данные.
Существует два типа виртуальных приборов - стандартные и экспресс. С помощью стандартных приборов можно осуществлять все действия, выполняемые в рамках LabVIEW: от примитивных - сложение и вычитание до функций высокого уровня, таких как сбор данных, измерение, анализ. При конфигурировании стандартных приборов необходимо присоединить значения параметров к соответствующим входам прибора, которые затем обрабатываются внутри него.
Математическая модель механической части электровоза
В данной диссертационной работе рассматриваются колебания подпрыгивания, галопирования и боковой качки твердых тел, входящих в состав первой тележки элехстровоза, при этом учитывается связь тележки с кузовом, кроме того, учитываются крутильные колебания ь каждом колесно-моіорном блоке. Изгибную жесткость торсионного вала двигателя считать малой и ею пренебрегаем. В данной работе используется дискретная модель пути [38], представленная в виде сосредоточенной массы ff!„, приведенной к точке контакта колеса и рельса, пружины жесткостью Жп и гидравлического гасителя с коэффициентом затухания Д,. Приведенная масса пути учитывает массу рельсов, шпал и путевого полотна.
При разработке математической модели учитывалось, что механическая система передачи вращающего момента от тягового двигателя к колесным парам содержит угловые жесткости торсионного вала тягового двигателя и оси колесной пары, а также моменты инерции колес, якоря, зубчатого колеса и шестерни тягового редуктора. Наличие в цепи передачи вращающе го момента от тягового двигателя к колесным парам упругих элементов с различной степенью жесткости и различие мест приложения сил и реакций опорных элементов вызывают появление крутильных колебаний якоря тягового двигателя, зубчатых колес и оси колесной пары, которые непосредственно определяют процессы, возникающие при срыве сцепления. Для составления уравнений колебаний в работе использованы методы аналитической механики в обобщенных координатах и силах. Исходя из кинематической модели, представленной на рис. 3. 8., и кинематической схемы одного колесно-моторного блока, представленной на рис. 3. 9., можно сделать вывод о том, что исследуемая механическая система имеет 15 степеней свободы от вертикальных колебаний: три степени свободы у тележки (подпрыгивание, галопирование и боковая качка), две степени свободы у трех колесных пар (подпрыгивание и боковая качка), по 2 степени свободы у трех тяговых редукторов (подпрыгивание и галопирование). Кроме того, 9 степеней свободы от крутильных колебаний: по одной степени свободы имеют шесть колес и по одной степени свободы якоря трех тяговых двигателей.
Разработка предложений по совершенствованию пускового реостата
Как уже говорилось, при проведении капитального ремонта с продлением срока службы на электровозах ЧС2К взамен группового переключателя устанавливаются индивидуальные электропневматические контакторы реостатного пуска. Также взамен типовой схемы пускового реостата используется новая (см. рис, 4.5.). По этой схеме предусматривается 46 реостатных полиций (вместо 42 на ЧС2)5 где 20-я, 34-я и 46-я являются ходовыми. Последовательность включения и выключения контакторов пускового реостата, а также величины сопротивлений на каждой позиции представлены в табл. 4Л.
Полное сопротивление нового пускового реостата равняется Й-19,487 Ом. Каждая ш трех групп пускового реостата состоит из четырех секций, набранных из элементов сопротивлением R3Si-0f99 Ом.
В связи с несовершенством компоновки приведенного пускового реостата электровоза ЧС2К, возникает необходимость пересчета величин пусковых сопротивлений, и перекомпоновки пускового реостата с целью улучшения пусковых характеристик, т. с. для снижения бросков токов и напряжений при переходе с одной позиции на другую [61, 62].
Расчет производился для пускового тока 500 А. Скоростные характеристики тягового двигателя AL4846eT взяты согласно ПТР. Полное сопротивление тягового двигателя равно 0,077 Ом. Полное сопротивление пускового реостата 12,771 Ом. Ток первой маневровой позиции Im=226J А, а на электровозе ЧС2К ток первой маневровой позиции составлял /Mi 150 А.
Из фрагмента силовой схемы электровоза ЧС2К (см, рис. 4.5) видно, что при замыкании контакторов К1-КЗ; К6-К8; К11-К13, вывод 1 каждой группы сопротивлений замыкается на общий "+"« Такое подключение исключает обособленность групп друг от друга, снижая тем самым количество вариантов их подключении а также уменьшает количество вариантов соединения секций внутри группы.
В связи с этим принято решение о переносе контакторов К8, К9 и К19 с изменением нумерации контакторов. Результат показан на рис. 4.6. Компоновка первой, второй и третьей секций реостата из элементов по 0?99 Ом приведены соответственно на рис. 4.7, рис. 4.8 и рис. 4.9, Для улучшения то-кораспределенші по элементам внутри секций и снижения протекающего по ним тока каждая секция состоит на менее чем из 4-х параллельных ветвей. Общее число элементов составило 222 элемента {при существующем варианте компоновки число элементов равно 246), Сокращение числа элементов произошло в результате уменьшения полного сопротивления реостата.
Последовательность замыкания контакторов пускового реостата приведена в табл. 4.2. Результаты исследования электромагнитных процессов, происходящих в процессе разгона электровоза с новым и старым пусковым реостатом, при-веденыиарис.4.10- 4.12.
На рис. 4,10, а и 4Л0, б приведены графики зависимости от времени тока тягового двигателя /д, А. Как видно из этого рисунка, возрастание тока на электровозе с новым реостатом происходит более плавно. Вывод реостата происходит более рационально, так как увеличение тока па тяговом двигателе наблюдаеіся вплоть до 20-й позиции, в то время как при существующем пусковом реостате (рис. 4.10, а) начиная с 14 позиции нарастания тока не происходит. На рис. 4Л2, а приведен график зависимости скорости движения электровоза ЧС2К с существующим реостатом ц км/ч от времени пуска с, а на рис. 4Л2, б, кривая скорости электровоза ЧС2К с предложенным в работе реостатом. Как видно из этих графиков, кривая скорости электровоза с новым реостатом нарастает более плавно по сравнению с кривой скорости электровоза с реостатом электровоза ЧС2К.
На основе полученных данных можно сделать вывод о значительных преимуществах нового реостата по сравнению с существующим и целесообразности его внедрения на электровозах ЧС2К в дальнейшем.
