К.т.н.
Юренко К.И.*, д.т.н. Фандеев Е.И.*, Сапунков А.Н.**
Южно-Российский
государственный технический университет (НПИ)*,
ООО «ПК
«НЭВЗ»**, Россия
Эволюция бортовых систем
управления подвижного
состава железных дорог
Развитие
бортовых систем управления (БСУ) локомотивов определялось требованиями к
потребительским характеристикам подвижного состава (мощность, надёжность,
степень автоматизации процессов управления и др.), совершенствованием электронной
элементной базы и программных средств. В настоящее время БСУ является одним из
важнейших компонентов локомотивов, отвечая за:
- управление
всем оборудованием (электрической схемой и аппаратами, тяговым и
вспомогательным приводом, преобразователем собственных нужд (ПСН) и др.);
-
диагностику бортового оборудования в пути следования, в условиях депо, а также
предрейсовый контроль с накоплением информации в бортовой базе данных;
- мониторинг
пути и железнодорожной инфраструктуры;
-
обеспечение человеко-машинного интерфейса локомотивной бригады для реализации
технологического процесса ведения поезда, а также сервисных служб в процессе технического
обслуживания локомотива;
- защиту
оборудования локомотива от выхода из строя при нештатных условиях эксплуатации
и аварийных ситуациях (например, коротких замыканиях);
-
обеспечение безопасности движения (недопущений нарушения скоростных режимов,
проездов запрещающих сигналов светофоров и т.д.);
- решение
задач информационной и функциональной безопасности подвижного состава;
-
автоматизированное ведение поезда по перегону с выполнением графика движения
при экономии электроэнергии на тягу;
- связь
всего бортового оборудования в единую информационно-управляющую сеть, межсекционную и поездную коммуникации, а
также связь с центром управления для получения данных о поездной ситуации на
перегоне, корректировках расписания движения и передаче диагностической
информации в режиме реального времени с борта локомотива;
- прием
сигналов спутниковых навигационных систем (СНС) ГЛОНАСС и GPS.
Таким
образом, современные БСУ представляют собой распределённые
аппаратно-программные комплексы (АПК) с сетевой архитектурой и развитыми коммуникационными
связями. Рассмотрим эволюцию БСУ на примере подвижного состава с неавтономной
тягой (электровозы, электропоезда) [1-4] – табл. 1.
Таблица
1. Эволюция бортовых систем управления
№ п/п |
Система управления |
Локомотив |
Особенности |
1 |
БУРТ, БУВИП, БАУ |
ВЛ80, ВЛ80Р,
ВЛ85, ВЛ65 |
Локальные
цифровые контроллеры |
2 |
МСУД1,
МСУД-Н |
ЭП1, ВЛ65 |
Централизованные
микропроцессорные
системы
управления |
3 |
МПСУ-007,
МСУД-Р |
ЭП2К, 3ЭС5К |
Распределённые
системы на основе CAN-интерфейса |
4 |
КСУД-ЭП20 |
ЭП20 |
Распределённая
система для электровоза с модульным построением. Объединяет
в единую вычислительную сеть
встроенные контроллеры и центральный блок управления. |
5 |
МПСУиД
2ЭС10 |
2ЭС10 |
Трехуровневая
иерархическая система грузового локомотива |
Первые устройства
управления, созданные на цифровой элементной базе - блоки управления
реостатного торможения БУРТ (ВЛ80) и выпрямительно-инверторным преобразователем
БУВИП (ВЛ80Р), а также блок автоматического управления БАУ (ВЛ85, ВЛ65)
представляли, по сути, локальные контроллеры для автоматизации отдельных
функций управления.
Следующее поколение
систем управления для серийных локомотивов ЭП1, ВЛ65, ВЛ80К, 2ЭС5К, 3ЭС5К,
ЭП2К, разработанные в ОАО «ВЭлНИИ» (г. Новочеркасск): МСУД1, МСУД-Н, МСУД-Р,
МПСУ-007 и др. построены на основе блочной архитектуры с использованием микропроцессорной
элементной базы. Их эволюция демонстрирует постепенный переход к системам
управления на основе блоков управления (БУ-193, БУО, БУТП, БИ) с использованием
коммуникационного канала типа CAN с отказом от использования
устаревших интерфейсов RS-232/485.
Микропроцессорная система МСУД1, созданная с участием ПКП ИРИС для электровозов
ЭП1 и ВЛ65, была построена на основе трех контроллеров ЦМК, МПК1 и МПК2,
конструктивно выполненных в виде общего шкафа оборудования, а также двух
блоков индикации (БИ). Связь между модулями осуществляется на основе основного
и дублированного коммуникационного канала на базе интерфейса RS-485.
Дальнейшим развитием является система МСУД-Н, предназначенная для электровозов
ЭП1, ВЛ80М, 2ЭС5К. В её состав входят блоки управления БУ-193 и индикации. Блок
БУ-193 имеет схожую с МСУД1 архитектуру и конструктивное исполнение. Однако
вместо IBM-совместимых промышленных компьютеров Octagon Systems, на базе которых
построена МСУД1, используются микропроцессорные модули на основе 16-разрядных
однокристальных микроконтроллеров с RISC – архитектурой семейства С167.
Система МПСУ-007 для
электровоза ЭП2К построена на основе блоков управления – тяговым приводом БУТП
и оборудованием БУО, индикации на пульте машиниста и сигнализации, а также
системного канала связи на базе коммуникационного CAN-интерфейса. С помощью CAN-шлюзов,
конструктивно встроенных в БУО и БУТП, организована связь с системами КЛУБ,
краном №130, ПСН и системой автоведения. Система МСУД-Р для электровоза 3ЭС5К
построена на принципах распределённой архитектуры, где на базе основного CAN-интерфейса,
к которому подключены блок управления электровозом (БУЭ), обеспечивающий
функции диспетчера связи с различными устройствами, сигнализации, кабины машиниста,
управления оборудованием, управления выпрямительно-инверторным преобразователем
и выпрямительной установкой возбуждения, а также блок управления компенсатора
реактивной мощности. Дополнительные CAN-интерфейсы
обеспечивают связь БУЭ с БИ на пульте машиниста, системой теплового контроля,
системой безопасности, системой винтового компрессора и пневматического
торможения.
Для электровозов нового
поколения ЭП20 и 2ЭС10 разработаны системы, представляющие следующий этап
развития бортовых АПК. Локомотивы построены на основе модульных систем –
тягового асинхронного электропровода, тормозного оборудования, безопасного
локомотивного объединённого комплекса и др., включающих встроенные системы
управления.
Дублированный центральный блок управления
электровозом БУЭ ЭП20 обеспечивает
реализацию алгоритмов управления верхнего уровня системы и информационную взаимосвязь
всех бортовых подсистем: локомотивной системы безопасности, модуля тормозного
оборудования, системы тягового привода, дисплея машиниста, реализующего человеко-машинный
интерфейс, а также блоков управления оборудованием. Последние обеспечивают
управление релейно-контакторным оборудованием локомотива и функции шлюзов для
подключения интеллектуальных бортовых подсистем (контроллера машиниста, термоконтроля,
противоюзовой защиты, блока питания цепей управления, гребнесмазывателя и др.).
Функциональное программное обеспечение разработано на языке С++ в среде QNX
Momentics. Для связи с системой тягового привода
используется коммуникационный протокол CANOpen, в других случаях –
оригинальные коммуникационные протоколы. Для связи между БУЭ1 и БУЭ2
используется Ethernet-канал, который также использован для связи
дисплейного модуля и системы видеонаблюдения.
Система
управления МПСУиД электровоза 2ЭС10, разработанная специалистами НПО «САУТ»
(г. Екатеринбург), в полной мере реализует иерархическую концепцию построения.
Она является трёхуровневой. К первому уровню относятся системы тягового
привода, ПСН, измерительные системы и микроклимат. Второй уровень - система
управления локомотивов МСУЛ-А, обеспечивает связь с пультом управления, цепями
управления секции электровоза, межсекционную связь. Системы третьего (верхнего)
уровня – автоведение, радиосвязь ТЕТРА, диагностические системы и др. Для
отображения информации о состоянии электровоза служат мониторы, имеющие
непосредственную связь с системой второго уровня. Для связи систем 3 и 2-го
уровня использован CAN-интерфейс. В системе 2-го уровня для связи с
подсистемами 1-го уровня использован резервированный интерфейс RS-485. В каждой
линии связи присутствует информация от трех каналов МСУЛ-А.
Среди зарубежных аналогов могут быть
отмечены АПК SIBUS 32 фирмы Siemens (Германия) и MITRAC
компании Bombardier (Канада), на базе которых построены, соответственно,
скоростной поезд Сапсан и электровоз ЭП10. Особенностью их архитектур является
использование системного канала MVB и межвагонного
соединения WTB. К дублированному каналу MVB подключены все модули
СУ. Связь с российским оборудованием (КЛУБ, БЛОК) осуществляется с помощью
специализированных шлюзовых устройств. Кроме того, известны СУ скоростного
поезда компании Mitsubishi (Япония), построенная
на основе коммуникационного Ethernet-канала, который
выступает и в качестве системного и в качестве поездного, а также IP-поезд
компании EXE-Electronics (Финляндия), в основу
бортовой информационно-управляющей сети которого также положен Ethernet-канал.
На взгляд авторов архитектура
информационно-управляющей сети перспективного подвижного состава будет
содержать (рис. 1): универсальную локомотивную систему безопасности, связанную
с многоуровневой интеллектуальной комплексной системой управления движением и
безопасности (ИСУБ), а также систему видеонаблюдения. Центральный АПК,
включающий БУЭ, автоведение (АВМ), блоки регистратора (Рег.) и диагностики
(Диагн.), телекоммуникационный модуль (ТЛК), обеспечивающий приём сигналов СНС,
связь по радиоканалу со стационарными объектами, а также внутри поезда (для пассажирских
поездов) и с хвостовым вагоном, сдвоенным локомотивом и т.д. – для грузовых.
Рис. 1. Структура перспективной системы управления
локомотива
Он
решает задачу взаимодействия подсистем для обеспечения технологических процессов
ведения поезда и технического обслуживания. Модульные системы нижнего уровня
- тяговая и ПСН, тормозная,
термоконтроля, противоюзовая, управления гребнесмазывателем и др.
устанавливаются в зависимости от рода тока и типа локомотива. Основной и
диагностический дисплеи, а также монитор систем безопасности и видеонаблюдения
составляют человеко-машинный интерфейс машиниста. В качестве системных
интерфейсов, а также межсекционных и межлокомотивных связей используются CAN
для задач управления и Ethernet для информационного и диагностического обмена.
При необходимости могут быть реализованы дополнительные каналы, связанные со
спецификой оборудования нижнего уровня (например, межсекционный канал WTB для
тяговой системы и CAN-канал для тормозной).
Вывод.
Обзор систем управления, созданных для российских и зарубежных локомотивов,
позволил определить основные тенденции в их развитии и основные черты перспективных
систем. Их эволюция включала переход от локальных устройств управления к централизованным
микропроцессорным системам, а затем – к системам с распределённой архитектурой
на основе CAN-интерфейса. Системы, разработанные в последние годы, учитывают
модульный подход к построению локомотивов и строятся как распределённые информационно-управляющие
сети, объединяющие центральные блоки управления и локальные встроенные. В
будущем этот подход сохранится, распределённая архитектура будет включать
дополнительные модули и связи, в том числе с наземными службами и автоматизированными
системами управления, а также со спутниковыми системами для организации единого
информационного пространства в рамках перевозочного процесса.
Литература
1. Плис В.И. Системы
управления электроподвижным составом / Электровозостроение: Сб. науч. тр.
Всерос. н.-и. и проекто-конструкт. ин-т электровозостроения (ОАО «ВЭлНИИ»). –
2003. – Т.45. – С. 131-147.
2. Микуляк С.П. Применение
CAN-технологий в современных системах управления электровозов. // Вестник
Всерос. н.-и. и проекто-конструкт. ин-т электровозостроения ОАО «ВЭлНИИ». –
2009. – Т.58. – С. 131-136.
3. Орлов Ю.А. Особенности
разработки программно-алгоритмического обеспечения систем автоматического
управления и автоведения для электровозов нового поколения / Ю.А. Орлов, И.К.
Юренко, К.И. Юренко // Вестник Восточно-украинского национального университета
им. Вл. Даля. - Луганск. – 2009, №4 (134) Ч.1. – С. 207-210.
4. Юренко К.И., Фандеев
Е.И. Аппаратно-программный комплекс для моделирования и автоматизированного
управления движением поезда. Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. №2.
2012. – С.26-31.
Работа выполнена при поддержке гранта ФЦП
«Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 № 14.В37.21.0289 «Интеллектуальные
устройства управления и контроля для бортовых информационно-управляющих систем
перспективных локомотивов»