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»