автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Имитационная модель электровоза для отладки микропроцессорных систем управления

На правах рукописи

КОРЗИНА ИННА ВАЛЕРЬЕВНА

ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОВОЗА ДЛЯ ОТЛАДКИ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов

и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Московском государственном университете путей сообщения" (МИИТ).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Савоськин Анатолий Николаевич (МНИТ)

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Тулупов Виктор Дмитриевич (МЭИ) - кандидат технических наук, доцент Баташов Сергей Иванович (РГОТУПС)

Ведущее предприятие - Всероссийский научно-

исследовательский институт железно* дорожного транспорта

Защита состоится «27» декабря 2006 г, в ауд. 2505 в 14 00 час. на заседании диссертационного совета Д 218.005.01 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «_»_2006 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью учреждения, просим направлять ло адресу совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 218JD05.01, доктор технических наук

Петров Г. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы, В настоящее время отечественные пассажирские электровозы постоянного тока практически выработали свой ресурс, а новых электровозов постоянного тока российские локомотивостроительиые заводы не производят. Поэтому 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 былн бы максимальными в случае покупки новых локомотивов. Наряду со сменой электрического и механического оборудования при КРП устанавливают микропроцессорные системы управления с новыми алгоритмами и программами управления. Для отладки алгоритмов и программ систем управления в нашей стране практикуется только два способа: либо на стендах большой мощности с силовыми элементами электровоза и тяговыми двигателями, либо непосредственно на электровозе. В случае проверки алгоритмов и программ МПСУ на стенах физического моделирования с тяговыми двигателями невозможно проверить, как будет работать МПСУ в условиях движения локомотива. При проверке МПСУ на электровозе ошибки в программах и алгоритмах МПСУ могут привести к аварийным режимам работы электровоза и порче дорогостоящего электрического оборудования и как следствие к дополнительным материальным затратам.

Таким образом, задача создания способа проверки алгоритмов и программ микропроцессорных систем управления, который бы исключал недостатки существующих способов отладки МПСУ и позволял бы оценивать работу электровоза с новой микропроцессорной системой, при этом отслеживая его тяговые и скоростные характеристики является актущц/ндй.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка ком-

плекса 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.

Методика исследований. В работе использовался метод имитационного моделирования электромагнитных и электромеханических процессов в электровозе с помощью графической среды ЬаЬЛПЕТЛГ, а также процедуры быстрого преобразования Фурье для вычисления амплитудных спектров колебательных процессов. Для стыковки имитационной модели с реальной МПСУ использованы цифроаналоговый преобразователь РС1-6713 и устройство цифрового ввода-вывода РС1-6509,

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана модель электровоза постоянного тока в программном пакете

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 электро л ода нжного состава;

- определить ступени нового пускового реостата электровоза ЧС2К и таблицу замыкания контакторов.

Апвобация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались на научно-практической конференции Неделя науки-2005 «Нау-ка-Транслорту» {МИИТ, 2005), на международной научно-практической

конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVlEW и технологии National Insiruments» (РУДН, ноябрь 2005) и на LXVI международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Днепропетровск, май 2006)

Публикации. По результатам исследований опубликованы 4 печатные работы.

Обьем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 70 наименований, заключения и приложений. Работа содержит 174 страниц, в том числе 144 страниц машинописного текста, б таблиц, 7 страниц списка литературы, 30 страницы приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, еб практическая значимость и приведен крэткий анализ состояния исследуемого вопроса. Здесь же сформулированы основные научные положения дис-серташонной работы, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ существующих микропроцессорных систем управления электровозов и способов отладки их программного обеспечения.

Приведены примеры отечественных н зарубежных микропроцессорных систем управления, в том числе электровозов 12Х.1, разработанный специалистами фирмы "AEG" (Германия), BJ180P, В Л 85-01, ЭП1,2ЭС5К.

Проведен анализ электрической схемы электровозов ЧС2 и способа модернизации этого электровоза с продлением срока службы. Для нового электровоза ЧС2К, у которого групповой переключатель заменен индивидуальными электро-пневматическим и контакторами разработана новая система управления, которая реализует процессы трогания и разгона, а также функцию зашиты от боксования.

Анализ существующих способов отладки микропроцессорных систем управления показал, что существует необходимость в создании нового способа отладки программного обеспечения систем управления электровозов. Таким способом может быть имитационная модель электровоза на компьютере, объединенная в единый комплекс с реальной МПСУ при помощи интерфейса связи. При этом необходимость проверки системы защиты от бок-сования требует создания математической модели электровоза, учитывающей как процессы, происходящие в электрических цепях, так и в механической части локомотива. Это необходимо для учета скорости скольжения колес, которая входит в состав общей скорости движения поезда и непосредственно с ей участием определяют процесс срыва сцепления.

Поэтому в данной работе проводится разработка имитационной модели на основе математической модели электровоза и интерфейса связи с микропроцессорной системой управления, служащей для отладки алгоритмов и программ микропроцессорных систем управления электровозов. На основе этого сформулирована цепь и задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке интерфейса связи математической модели электровоза с микропроцессорной системой управления электровоза. Функциональная схема комплекса для отладки микропроцессорных систем управления приведена на рис. 1.

Математическая модель электровоза включает в себя электрическую и механическую части, которые взаимодействуют друг с другом путем учета скорости скольжения в определении общей скорости движения локомотива. Кроме того, сила тяги электровоза используется при определении электрического момента, входящего в уравнения крутильных колебаний колйсно-моторных блоков.

Взаимодействие между МПСУ и математической моделью локомотива осуществляется при помощи интерфейса связи, включающего в себя программное обеспечение н технические устройства для ввода и вывода сигна-

лов. При этом вывод аналоговых сигналов из математической модели осуществляется через аналоговые выходы цифроаналогового преобразователя (ЦАП). А ввод управляющих сигналов в модель и возврат сигналов обратной связи от модели к МПСУ производится через устройство цифрового ввода-вывода.

Математическая модель электровоза

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ЭЛЕКТРОВОЗА

и.

МЕХАНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ЭЛЕКТРОВОЗА ПОЕЗД

SZ.

ЦАП

УЦВВ

| Интерфейс . связи

МПСУ

Ркс.1 Функциональная схем* комплекса для отлилкн программного обеспечения микропроцессорных Crcrtw управления подвижного состав«

Анализ существующих на рынке видов ЦАП и УЦВВ показал, что по соотношению иена-качество наиболее приемлемыми являются платы фирмы National Instruments: цнфроаиалоговый преобразователь PCI-6713 в устройство цифрового ввода-вывода PCI-6J09. В качестве программной среды для разработки математической модели электровоза была выбрана графическая среда LabVIEW , обеспечивающая простоту работы с устройствами ввода-

вывода и обладающая для этих целей большим количеством стандартных приложений.

Перед началом работы интерфейса непосредственно с моделью была выполнена проверка его работоспособности на тестовом устройстве.

Для этого была выполнена опытная проверка работы интерфейса с использованием внешних источников сигнала и приемника информации. В пакете ЬаЬУ1Е\У была создана программа, реализующая простейшую гХ. цепочку, в которой вывод сопротивления осуществлялся на основе сигнала, приходящего с устройства цифрового ввода-вывода. Схема передачи данных в опытной проверке интерфейса приведена на рис. 2.

РС16509 ЬаЬУ1Е\У РС16713

Рис. 2, Схема передачи данных в опытное проверке интерфейса

В качестве источников внешнего сигнала использовались микропереключатели МП1 и МП2. При появлении сигнала «набор» в программе имитировался переход на следующую позицию и производился вывод соответствующего сопротивления в цепочке. Соответственно при появлении сигнала «сброс» происходил сброс позиции. Кривая тока в цепи выводилась на электронный осциллограф. Вид кривой тока соответствовал общим представлениям о переходных процессах в /X цепях. Проверка на тестовом примере показала работоспособность созданного интерфейса связи компьютерной модели объекта с микропроцессорной системой управления, а также правильность

выбранных технических устройств и программного обеспечения.

Третьи глава посвящена разработке математической модели электровоза постоянного тока. При разработке математической модели электрической части электровоза учитывались динамическая индуктивность н вихревые токи по методу Жица.

В настоящей диссертационной работе одновременно с электромагнитными процессами, протекающими в тяговом электроприводе электровоза, рассматривались колебания одной тележки. Для составления уравнеинй колебаний реальная тележка электровоза с осевой схемой Зо-Зо была заменена динамической моделью, состоящей из 21 дифференциальных уравнений, описывающих вертикальные колебания тележки и тягового привода электровоза с учетом крутильных колебаний колесно-моторного блока и вертикальных колебаний рельсов. При этом учитывались колебания отдельных колес каждой колесной пары на угловой жесткости оси. Изначально общее число степеней свобода! исследуемой механической системы получилось равным 24, но после выяснилось, что некоторые координаты являются взаимосвязанными. После соответствующих замен количество степеней свободы системы сократилось до 21.

В данной работе используется дискретная модель пути, представленная в виде сосредоточенной массы т„, приведенной к точке контакта колеса и рельса, пружины жесткостью ж„, и гидравлического гасителя с коэффициентом затухания Д,. Приведенная масса пути учитывает массу рельсов, шпал и путевого полотна.

При разработке расчетной модели крутильных колебаний колесно-моторного блока учитывались моменты инерции и угловые жесткости торсионного вала, а также оси колесной пары. Инерционные характеристики системы определялись по формуле Лагранжа через кинетическую энергию системы с учетом взаимосвязей между координатами.

При определении силы сцепления, входящей в уравнение крутильных колебаний, коэффициент сцепления представлялся в виде функции коэффициента сцепления, зависящего от относительной скорости скольжения ) и коэффициента сцепления, зависящего от линейной скорости движения локомотива у (уд ). При этом, коэффициент сцепления, зависящий от относительной скорости скольжения определялся по формуле Голубенко:

гСО-«^] . а)

где / - потенциальный коэффициент трения скольжения У = 0,5; Б,,£к - относительная скорость скольжения соответствующего колеса по рельсу и критическое значение этой скорости, превышение которого вызывает срыв сцепления колесной пары и возникновение боксования, принимаем £к = 0,04, / = 1,2 -номер колеса;

О, Ь, с — эмпирические коэффициенты, равные: а = 0,34, 6 = 0,3, с = 0,3.

А коэффициент сцепления, зависящий от линейной скорости скольже-нияу (ул ) определялся на основе Правил производства тяговых расчетов по формуле:

= +---, (2)

а2+агул

где а0 ,а1,а1,а3 - эмпирические коэффициенты, равные для электровоза ЧС2:

«0 =0,25, ах =8, вг =100, а3 =20.

Кроме того, учитывалось уравнение движения поезда, позволившее моделировать процессы в электрической и механической части электровоза

при изменяющейся скорости движения в виде:

где /{у) - удельная сила тяги, кгс/тс;

н*(у) - удельное сопротивление движению, кгс/тс; й(у) - удельная тормозная сила, кгс/тс; £ = 120- коэффициент, соответствующий ускорению единицы веса поезда при действии на него одной тонна силы, км/ч2.

В четвертой главе приведены результаты расчета электромагнитных и электромеханических процессов в электровозе ЧС2К. По результатам этих расчетов получены кривые тока (рис. 3, а, 6) и скорости (рис. 3, в). На основе этих кривых была построена пусковая диаграмма электровоза ЧС2К (рис. 3, г)-

При этом на основании анализа полученных кривых был сделан вывод о несовершенстве существующего пускового реостата электровоза ЧС2К и необходимости разработки нового. Был предложен новый пусковой реостат с другой схемой соединений и таблицей замыкания контакторов. У предложенного пускового реостата количество пусковых позиций уменьшено до 42, как и на типовом электровозе ЧС2. Кроме того, полное сопротивление нового пускового реостата уменьшено с 19 до 12 Ом, почти также как на электровозе ЧС2.

V, км/ч

кК_

«р—I ■чу- |

"н!= —1 ---1

-1 —1

9 '.41 к

в) v, км/ч

1 Е I 1 Л

!

[ . г ✓ п

• ! \ - К *

Ж * 1 1 1

! ; I 1

80 160 240 '.с

\

\

\

V - к

\

\

£

0 200 400 600

Рис. 3 Электромагнитные характеристики электровоза ЧС2К: а-Осциллограмма 1{1) электровоза ЧС2К, полученные в результате опытных испытаний; 6-/(0 электроном ЧС2К, получение» в результате моделировании; «-зависимость скорости движения электровоза ЧС2К от времени; г- пусковая диаграмма электровоза ЧС2К,

Результаты исследования электромагнитных процессов, происходящих в процессе разгона электровоза с новым и старым пусковым реостатом, приведены на рис. 4. Как видно нз этого рисунка, возрастание тока на электровозе с новым реостатом происходит более плавно. Прирост тока при переходе с позицию на позицию составляет порядка 50 - 60 А, в отличии от существующего, где броски тока достигала = 110 А. На основании полученных данных можно сделать вывод преимуществе нового пускового реостата над старым и о целесообразности его внедрения на электровозе ЧС2К в дальнейшем.

Также в четвертой главе приводятся результаты исследования процессов, протекающих в механической и электрической частях электровоза при срыве сцепления под одним и под обоими колесами колесной пары.

NN

, г м

-Н

-ттгг □Г

10 го 30 40 50 60 70 « 90 100 110 120 /, с

б)

/, А

600. МО-400.

зоо-гоо

100. о-

кг-1 ч

-г-

_г

10 го 30 40 50 70 И) 90 100 ПО 120

Рис. 4. Зависимости тока электро&о!* при пуске первого ТЭД о) кривая ток» при существующем ренегате; 6) кривая гака при предлагаемом реостате;

I

Исследования проводились на полной математической модели электро-

воза с учетом особенностей построения системы автоматического управления, силовой схемы и особенностей реализации сил тяги и торможения.Моделирование срыва сцепления осуществлялось путем снижения коэффициента сцепления колес с рельсами на сорок процентов.

При срыве сцеплення под левым колесом первой колесной пары было подучено, что скорость скольжения левого колеса начинает увеличиваться, совершая колебания с частотами 14,5 Гц и 40 Гц, а скорость скольжения якоря соответственно начинает уменьшаться с частотой 14,5 Гц и амплитудой в /I раз большей, чем амплитуда скоростей скольжения колес. Срыв сцепления под правым колесом происходят почти через полупериод колебаний с частотами 14,5 Гц и 40 Гц. Спектры скоростей скольжения при срыве под левым колесом приведены на рис. 5.

Аналогичные результаты были получены при срыве сцепления под обоими колесами первой колесной пары. Частоты колебания колес, как и при срыве сцепления по одним колесом, составляют 14,5 и 40 Гц, но при этом значительно увеличена амплитуда колебаний.

На основе построения зависимости относительной скорости скольжения от времени было определено время до того момента, когда процесс срыва сцеплення становится необратимым. При срыве под одним колесом оно составляет 0,44 с, а при срыве под обоими колесами 0,28 с. Графики зависимостей относительной скорости скольжения от времени приведены на рис. б.

На основе зависимостей относительной скорости скольжения от времени и силы сцепления правого колеса от времени (рис. 7)быпи построены фазовые портреты автоколебаний под правым колесом первой колесной пары при срыве под одним и обоими колесами (рис. 8)

рад/с

0.20. ■ --------

! А

О.Иг М

О.Ш 0,03

о

20

40

60

ко

100 и С

рад/с

100 /,с

20 40 60 80 100

Л С

Рис. 5. Амплитудные спектры скоростей скольжения:

а-»милнтудкыЯ спектр скорости угловых кидебянйй якоря; 6 - амплитудный спектр скорости скольямниш правого колеся; (-амплитудный спектр скорости скольжения левого колес«.

б)

Рис. 6. Зависимости относительной скорости скольжения от времени й-при срыве пол левым кшкеом первой колесной пары: 6 - при срыве поя обоими колесами перлов отыесноН пари;

^впр*

кгс

20000 15000 10000 5000

о

*>С

4,0 4,2 4,4 4,6 4,8

¿СцПр*

КГС

12000 10000 8000 6000 4000 2000 О

с

4,0 4,2 4,4 4,6 4,8

Рис. 7. Сила сцепления под правым колесом первой колесной мары в —при срыве поз левым колесом первой колесной пары; Л—при срыве пел обоими колесами первой колесной пары;

При нарушении условий сцепления колес с рельсами происходит увеличение не только скорости скольжения колес колесной пары, но соответственно и суммарных скоростей движения колес, а это уже приводит к росту э. д. с. двигателя (рис, 9, а) и снижению тока якоря (рис. 9,б).

а)

' Л|Пр*

кгс

} *пр

6)

кгс

О.И (,£Й 0.01 0.10

Рис. 8. Фаювые портреты колебаний под правым колесом первой колесной лары л-при срыве под левым колесом первой колесной пары; 6-при срыве пол обоими колесами первой колсетгоН пары;

б)

е,В /„А

Рис. 9. Электротяговые характеристики двигателя при срыве под одним колесом я-мвнснмость электродвижущей силы от времени; ¿-зависимость силы тока от времени;

Таким образом, результате проведенных расчетов срыва сцепления под одним колесом и под двумя колесами колесной пары можно сделать вывод от том, что для тягового привода II класса с опорно-рамным подвешиванием двигателя и опорно-осевым подвешиванием редуктора время срабатывании защиты от боксовання, при срыве сцепления под обоими колесами должно составлять не более 0,28 с.

На электровозе ЧС2К функцию защиты от боксовання выполняет МПСУ. Алгоритм работы этой зашиты также как и у реле боксования электровоза ЧС2К основан на сравнении напряжений на двух смежных тяговых двигателях. Система сравнивает эти данные и в случае разности напряжений большей, чем 50 В, вырабатывает соответствующий управляющий сигнал. На рис. 8 показана рассчитанная в работе зависимость разности напряжений на тяговых двигателях электровоза от времени.

Рис. 10 Разность напряжений Титовых двигателей при срыве coco лен ия nota обоими колесами первой колесной пари

После срыва разность напряжений начинает нарастать, тем не менее видно, что по окончании времени 0,28 после срыва сцепления разность напряжений составляет всего 7 В и репе не срабатывает. Срабатывание защиты при достижении величины du=50В происходит через 1,65 с после срыва сцепления. На основе полученных данных можно сделать вывод о несовершенстве существующей системы защиты от боксования электровоза ЧС2К и необходимости разработки новой, более совершенной системы.

В результате расчета вертикальных колебаний рамы тележки и колесно-моторных блоков было выяснено, что до момента наезда первой колесной пары на масляное пятно из-за перераспределения вертикальных сил, действующих на колесные пары происходит разгрузка первой колесной пары, поэтому подпрыгивания левого Za*i И правого колёс zgnpi имеют положительные значения. Подпрыгивания левого и правого колеса г6прi второй колесной пары также имеют положительные значения. Подпрыгивания колес третьей колесной пары г^з и Zgnp3 имеют отрицательный знак, что свиде-

тельствует о прижатии колес к рельсам.

Крутильные колебания оказывают значительное влияние на колебания подпрыгивания. В меньшей степени частота крутильных колебаний проявляется в спектрах колебаний галопирования редукторов.

Данный отладочный комплекс был использован при отладке повой микропроцессорной системы управления электровоза ЧС2К в ЗАО «ОЦВ», Модель электровоза обменивалась аналоговыми и цифровыми сигналами с системой управления через ЦАП и УЦВВ. Сигналы о включении соответствующих контакторов передавались в компьютер через плату РС1-6509, изменяя тем самым состояние модели переключая силовую схему на соответствующую позицию. При этом количество позиций пускового реостата было увеличено, так как у реальной МПСУ некоторым позициям пускового реостата соответствует несколько тактов переключения кофакторов.

После обработки сигналов на выходе модели появляются сигналы токов в ветвях тяговых двигателей, напряжений на якорях шести тяговых двигателей, а также сигналы о состоянии контакторов. Выходные сигналы поступали обратно на пульт управления электровозом после чего значения токов, напряжений и скорости появлялись на амперметрах и вольтметрах пульта, так же, как если бы это были текущие показания приборов в процессе движения. Сигналы о состоянии контакторов требовались для того, чтобы обеспечить выполнение МПСУ функций проверки состояния контакторов и в случае возникновения ошибок выявление причины их возникновения.

С помощью модели удалось отработать алгоритм микропроцессорной системы управления нового электровоза ЧС2К до применения этой МПСУ непосредственно на самом электровозе.

Впоследствии, при опытных испытаниях электровоза ЧС2К с новой микропроцессорной системой ошибок в работе по вине программного обеспечения не возникало.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Для ввода и вывода сигналов из имитационной модели целесообразно использовать цнфроаналоговыЙ преобразователь РС1-6713 и плату цифрового ввода-вывода РС1-6509, отличающиеся невысокой стоимостью, большим количеством каналов и небольшими габаритами.

2. Для отладки алгоритмов и программ микропроцессорных систем управления необходимо в состав модели электровоза включить уравнения, описывающие электромагнитные процессы в силовой пели, вертикальные колебания тележки, крутильные колебания колесно-моторного блока, а также уравнение движения поезда.

3. Моделирование процессов при разгоне и трогаини электровоза ЧС2К показало, что имеется неравномерность бросков тока при реостатном пуске, что свидетельствует о необходимости в разработке нового пускового реостата.

4. На основе анализа электромагнитных процессов, полученных в результате моделирования электрических цепей электровоза ЧС2К, автором разработана схема нового пускового реостата этого электровоза

5. Предложенная компоновка и таблица замыканий контакторов нового реостата электровоза ЧС2К целесообразна для применения на электровозе ЧС2К, так как при этом обеспечивается практически одинаковые величины бросков тока при троганин и разгоне.

6. При моделировании срыва сцепления под одним колесом первой колесной пары путем снижения коэффициента сцепления на 40% в срыв сцепления наступает через 0,44 с, а при моделировании срыва сцепления под обоими колесами первой колесной пары срыв сцепления наступал быстрее.

через 0,28 с, поэтому система защиты должна срабатывать не позднее, чем через 0,28 с после начала боксования.

7. Существующая система зашиты электровоза ЧС2К от боксования ие эффективна, так как она срабатывает позже, чем начинается процесс боксования.

8. Отработка алгоритмов и программ для микропроцессорной системы управления электровоза ЧС2К с использованием предложенной имитационной модели показала высокую эффективность.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах автора

1. А. Н. Савоськин, М. С. Антонюк, И. В. Корзина. «Исследования времен срабатывания электропневматических контакторов электровоза постоянного тока ЧС2К». «Вестник МИИТа» №14,2006 г.

2. А. Н. Савоськин, 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.

3. 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 конферен-ции.-Д.:ДИИТ, 2006.-442C.

4. О. Е. Пудовиков, И. В. Корзина. «Имитационная модель для систем управления электровозами». Журнал «Мир транспорта» №2 2005 г.

КОРЗИНА ИННА ВАЛЕРЬЕВНА

Имитационная модель электровоза для отладки микропроцессорных систем

управления

Специальность 05.22.07 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

Объем 1,5 леч.л. Заказ №516

Подл, к печати 20.11.06 Формат бумаги 60x90 1/16 Тираж 80 экз.

127994, г. Москва, ул. Образцова, 15. Типография МИИТа

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ.

1.1. Анализ микропроцессорных систем управления электровозов и способов отладки их программного обеспечения.

1.2. Анализ электрической схемы электровозов ЧС 2 и способа модернизации этого электровоза при капитальном ремонте с продлением срока службы.

1.3. Постановка цели и задач работы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ИНТЕРФЕЙСА СВЯЗИ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ С МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛЬЮ ЭЛЕКТРОВОЗА.

2.1. Выбор технических устройств для создания интерфейса.

2.2. Разработка программного обеспечения интерфейса.

2.3. Опытная проверка интерфейса

2.4. Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОВОЗА ПОСТОЯННОГО ТОКА.

3.1. Математическая модель электрической части электровоза постоянного тока.

3.2. Математическая модель механической части электровоза.

3.3. Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА И РАЗРАБОТКА ПРЕДОЛЖЕНИЙ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ СИЛОВОЙ

СХЕМЫ ЭЛЕКТРОВОЗА ЧС2К.

4.1 .Анализ результатов расчета

4.2 Разработка предложений по совершенствованию пускового реостата.

4.3. Результаты расчета электромеханических процессов при срыве сцепления.

4.4. Разработка методики отладки алгоритма программного обеспечения МПСУ.

4.5. Выводы по четвертой главе.

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 электрического 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 Lab VIEW, 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» ESEa-NI-05 МОСКВА, РОССИЯ, НОЯБРЬ -18-19, 2005.

ПУБЛИКАЦИИ

Опубликовано 5 печатных работ, из них 4 по теме диссертации.

1. А. Н. Савоськин, М. С. Антонюк, И. В. Корзина. «Исследования времен срабатывания электропневматических контакторов электровоза постоянного тока ЧС2К». «Вестник МИИТа» №14, 2006 г.

2. 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.

3. 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 конферен-ции.-Д.:ДИИТ, 2006.-442с.

4. А. Н. Савоськин, О. Е. Пудовиков, И. В. Корзина. «Имитационная модель для систем управления электровозами» «Мир транспорта» №2, 2005 г., с 78-85.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ

1. Для ввода и вывода сигналов из имитационной модели целесообразно использовать цифроаналоговый преобразователь и плату цифрового ввода-вывода фирмы National Instruments, отличающиеся невысокой стоимостью, большим количеством каналов и небольшими габаритами.

2. В качестве программного обеспечения для разработки модели электровоза и вывода сигналов следует применять программный пакет LabVIEW фирмы National Instruments позволяющий быстро конфигурировать каналы ввода-вывода.

3. Для отладки алгоритмов и программ микропроцессорных систем управления необходимо в состав модели электровоза включить уравнения, описывающие электромагнитные процессы в силовой цепи, вертикальные колебания тележки, крутильные колебания колесно-моторного блока, а также уравнение движения поезда.

4. Моделирование процессов при разгоне и трогании электровоза ЧС2К показало, что имеется неравномерность бросков тока при реостатном пуске, что свидетельствует о необходимости в разработке нового пускового реостата.

5. Предложенная компоновка и таблица замыканий контакторов нового реостата электровоза ЧС2К целесообразна для применения на электровозе ЧС2К, так как при этом обеспечивается практически одинаковые величины бросков тока при трогании и разгоне.

6. При моделировании срыва сцепления под одним колесом первой колесной пары путем снижения коэффициента сцепления на сорок процентов срыв сцепления наступает через 0,44 с, а при моделировании срыва сцепления под обоими колесами первой колесной пары срыв сцепления наступал быстрее, через 0,28 с, поэтому система защиты должна срабатывать не позднее, чем через 0,25 с после начала боксования.

7. Существующая система защиты электровоза ЧС2К от боксования не эффективна, так как она срабатывает позже чем начинается процесс боксования.

8. Отработка алгоритмов и программ для микропроцессорной системы управления, разработанной в Отраслевом центре внедрения, с использованием предложенной имитационной модели показала высокую эффективность такого способа

1. Архангельский Ю.Н. Локомотивостроение в новых условиях хозяйственной деятельности предприятий России//Междунар. конф. "Состояние и перспективы развития локомотивостроения", Новочеркасск, 7-9 июня 1994 г.: Тезисы докл. Новочеркасск, 1994, с. 1-2.

2. Титов В.В. Перспективы развития железных дорог Российской Федерации. Анализ эксплуатации и основные требования к электроподвижному составу .//Сб. науч. тр. Всес. н.-и. проектн.-конструкт. и технол. ин.-та электровозостроения. 1995, № 35, с. 8-15.

3. Щербаков В.Г. Разработка новых электровозов и электропоездов.//Сб. науч. тр. Всес. н.-и. проектн.-конструкт. и технол. ин.-та электровозостроения. 1995, № 35, с. 3-8.

4. Дресслер Н. И. MICAS микро-ЭВМ для подвижного состава//Железные дороги мира, 1983, N4, с. 4-19.

5. X. Кристиансен, А. Ланг Вторая партия электровозов серии Е1-17 с трехфазным тяговым приводом // Железные дороги мира, 1989, N1, с. 25-32.

6. Bavard J. Avril Е. Modular control with microcontroller and high speed serial network for asynchronous drives. Electrishe Bahnen, 1990, N3, p. 140-144.

7. Ford R. Class 91-the ultimate DC drive locomotive. -Railway Technology International, 1990, p. 81-88.

8. Gedeon G. The Sibas 16 micro-computer control system. - Electrishe Bahnen, 1988, N7, p. 229-235.

9. Roth G. Microprocessor based control for diesel locomotive with three -phause drive. - Electrishe Bahnen, 1987, N6, p. 197-202.

10. Новые электровозы большой мощности фирмы AEG// Железные дороги мира,-1994, N10, с. 32-38.

11. Я. Лундгрени др. Высокоскростной поезд Х2// Железные дороги мира, -1991, N4, с. 8-14.

12. Gathman H., Harprecht W. and Weigel W. D. Recent Developments in AC Drivers for Traction. EPE - Proceedinds, 1987, Surveu Paper, p. 5-19.

13. Microprocessor based control system for locomotives of new generation. -Railway Age, 1989, N3, p. 35,39.

14. Микуляк С. П., Напрасник М. В., Плис В. И. Микропроцессорный контроллер тягового привода магистрального электровоза // Изв. Вузов. Электромеханика. -1986, N 5, с. 36-68.

15. Вольвич А. Г., Напрасник М. В., Беляев А. В. Базовый набор микропро-цессоных средств для использования в системах управления магистральных элетровозов // Сб. научн. Тр. Всерос. Н. И проект, -контср. Ин-т элек-тровозостр., 1985, Т.25, с. 4-58.

16. Лебедев А. В., Микуляк С. П., Плис В. И. Способ повышения быстродействия микропроцессорного контроллера тягового привода// Сб. научн. тр. всерос. в. -и. и проект, -контсрукт. Ин-т электровозстр., Новочеркасск, 1985, Т.26, с.39-44.

17. Лебедев А. В., Плис В. И. Отладка микропроцессорных систем на базе БИС серии 588// Сб. научн. Тр. Всерос. н. -и. и проект, -контсрукт. ин-т. электровозостр., Новочеркасск, 1986, Т.27, с. 104-110.

18. Коваль В. Е., Плис В. И. Регулирование инвертора электровоза однофазно-постоянного тока с использованием энергетических критериев// Сб. научн. тр. Всерос. н. -и. и проект, -констр. ин-т электровозостр., Новочеркасск, 1993, Т.ЗЗ, с.23-30.

19. А. С. 1470578 СССР, МКИ В60 3/10 Устройство для обнаружения юза и боксования колеса транспортного средства // Вольвич А. Г., Напрасник М.

20. В., Микуляк С. П., Беляев А. В., Плис В. И. №4219581/27-11. Заявл. 01.04.87, БИ.№1, 1989.

21. А. С. 951591 СССР, МКИ Н02М 1/08 Н02Р13/13 Дискретное фазосдви-гающее устройство // Вольвич А. Г., Напрасник М. В., Левченко В. И., Беляев А. В., Плис В. И. №3235888/24-07. Заявл. 13.01.81, БИ. №30, 1982.

22. Вольвич А. Г., Напрасник М. В., Крамсков С. А. Опыт применения микропроцессорных систем управлени на электровозе ВЛ85// Сб. научн. тр. Всерос. н. -и. и проект, -констр. ин-т электровозостр., Новочеркасск, 1989, Т.ЗО, с.148,154.

23. Плис В. И. Микропроцесорный контроллер реостатного тормоза магистрального элеткровоза// Сб. научн. тр. Всерос. н. -и. и проект, -констр. ин-т электровозостр., Новочеркасск, 1990, Т.31, с.98-103.

24. Беляев А. В., Ромашка В. В. Микропроцессорная система управления тяговым приводом электровоза постоянного тока с импулсным регулированием// Сб. научн. тр. Всерос. н. -и. и проект, -констр. ин-т электровозостр., Новочеркасск, 1990, Т.31, с.80-88.

25. Плис В. И. Источник питания микропроцессорной системы управления электровозом//Изв. вузов Электромеханика, 1989, №5, с. 51-56.

26. Крамсков С. А., Плис В. И., Федорова Н. Ю. Результаты испытаний микропроцессорной системы управления (МПСУ) на электровозеВЛ85 061// Сб. научн. тр. Всерос. н. -и. и проект, -констр. ин-т электровозостр., Новочеркасск, 1991, Т.32, с.108-115.

27. Протокол испытаний обработка алгоритмов и информационного обеспечения микропроцессорной системы управления по договору № 3138/91, п. 14 (34Д), -М. ВНИИЖТМПС, 25.12.91г., 45с.

28. Микропроцессорная система управления и диагностики. Журнал «Локомотив» 1999 №8, 17-19 стр.

29. Пассажирский электровоз ЧС2. В. А. Раков. Изд-во "Транспорт", 1967.

30. Модернизация электровоза ЧС2 с изменением схемы»: руководство по эксплуатации; 2003 г., Департамент локомотивного хозяйства, ПКБ ЦТ.

31. The measurement and Automat on catalog 2002. 2001 National Instruments Corporation.

32. Measurements Manual, July 2000 Edition/ Copyright 1992, 2000 National Instruments Corporation.

33. LabVIEW для всех. Джеффри Тревис . Пер. с англ. Клушин Н.А. М.: ДМК Пресс; ПриборКомплект, 2004. - 544 е.: ил.

34. LabVIEW7 Express User Manual, April 2003 Edition, COPYRIGHT 19922003 National Instruments Corporation.

35. Алексеев А. С. Исследование влияния нелинейности кривой намагничивания тягового электродвигателя на переходные процессы в силовой цепи электровоза. Труды МИИТ, вып. 912 М.: МИИТ, 1997. 104 с.

36. Жиц М. 3. Переходные процессы в машинах постоянного тока. М.: Энергия, 1974.- 118с.

37. Механическая часть тягового подвижного состава: Учебник для вузов ж. -д. трансп./Бирюков И. В., Савоськин А. Н., Бурчак Г. П. И др.; Под ред. Бирюкова И. В. М.: Транспорт, 1992-440 с.

38. Бирюков И. В., Беляев А. И., Рыбников Е. К. Тяговые передачи электроподвижного состава железных дорог. М.: Транспорт, 1986 - 256 стр.

39. Голубенко А. Л. Сцепления колес с рельсом. Киев.: «В1ПОЛ», 1993, 448 с.

40. Правила тяговых расчетов для поездной работы. М.: Транспорт, 1985, 286 с.

41. Гитис Э. И., Пискунов Е. А. Аналогово-цифровые преобразователи: Учеб. Пособие для вузов. -М.: Энергоиздат, 1981. -360с.; ил.

42. Шляндин В. М. Цифровые измерительные устройства. Учебник для вузов. -2-е изд. перераб. И доп. -М.:Высш. Школа, 1981. -335 стр.

43. Аналого-цифровые преобразователи устройств автоматики и телемеханики электрифицированных железных дорог//Баранов П. А., Бакеев Е. Е., М., Транспорт, 1979, 207 с.

44. Федорков Б. Г., Телец В. А. Микросхемы ЦАП и АЦП: Функционирование, параметры, измерения. -М.: Энергоатомиздат, 1990. -320с.

45. А. Рабинер, Б. Гоулд Теория и применение цифровой обработки сигна-лов//М.; Мир, 1978, 848с.

46. Крамсков С. А., Плис В. И. Обработка аналоговых сигналов датчиков электровоза микропроцессорным контроллером// Сб. научн. тр. Всерос. н. -и. и проект, -констр. ин-т электровозостр., Новочеркасск, 1991, Т.31, с. 116-122.

47. Орнатский П. П. Автоматическое измерение и приборы: Учебник для вузов. 2-е изд. перераб. И доп. -М.: Высш. Школа, 1981. -335 стр.

48. Тихменев Б. Н., Трахтман Л. М. Подвижной состав электрофицирован-ных железных дорог. Теория работы электрооборудования; Электрические схемы и аппараты. Учебник для вузов. Ж. -д. трансп.//4-е изд., перераб. И доп. -М.: Транспорт, 1980.

49. Розенфельд В. Е., Исаев И. П., Сидоров Н. Н. Теория электрической тяги: Учебник для вузов ж. -д. трансп. -2-е изд., перераб. и доп.- М.:Транспорт, 1983 -328 стр.

50. Островский В. С., Савоськин А. Н., Сурков Д. А. Влияние крутильных колебаний в колесно-моторном блоке на процессы срыва сцепления колес локомотива с рельсами. Труды МИИТ, вып. 912. М.:МИИТ, 1997. -104стр.

51. Калинин В. К. Электровозы и электропоезда. -М.: Транспорт 1991. -480 с.

52. Проектирование тяговых электрических машин. Находкин М. Д., Василенко Г. В., Бочаров В. И., Козорезов М. А. Под ред. М. Д. Находкина.

53. Учебное пособие для вузов ж. -д. трансп. -2-е изд., перераб. и доп. -М.транспорт, 1976 -624 стр.

54. Курбасов А. С., Седов В. И., Сорин JI. Н. Проектирование тяговых электродвигателей: Учебноепособие для вузов ж. -д. трансп./ Под ред. А. С. Курбасова- М.: Транспорт, 1987 536стр.

55. Engineering Simulation: Tools and application using IBM PC family M. Shah, 1988 (Шах M. Имитационное моделирование: Методы и применение с помощью персональных компьютеров. IBM. Пер. с англ. -М.: Машиностроение, 1991 )

56. Никитенко А. Г., Плохов Е. М., А. А. Зарифьян, Хоменко Б. И., Математическое моделирование динамики электровозов. М.: Высшая школа, 1998.-с. 275.

57. Вольвич А. Г., Малютин В. А. Развитие электронных средств управления магистральных электровозов//Сб. научн. тр. Всерос. н. -и. и проект. -констр. ин-т электровозостр., Новочеркасск, 1991, Т.31, с. 116-122.

58. А. С. 1511825 СССР, МКИН02М 1/08 Н02Р13/13 Дискретное фазосдви-гающее устройство // Гордеев С. Р., Напрасник М. В., Левченко В. И., Беляев А. В., Плис В. И. №4091214/24-07. Заявл. 28.07.86, БИ. №36, 1989.

59. Справочник по электроподвижному составу, тепловозам и дизель-поездам. Под ред. А. И. Тищенко. Т. 1. М., «Транспорт», 1976 г., 432, с.

60. Проектирование систем управления подвижным составом электрических железных дорог. Ротанов Н. А., Захарченко Е. В., Е. В. Горчаков, А. В. Плакс, Милютин С. В., Некрасов В. И. Под ред. Захарченко Д. Д. М., «Транспорт», 1964 г., 352, с.

61. Автоматизация подвижного состава: Учебник для вузов ж. -д. транспорта/ А. Н. Савоськин, П. А. Баранов, А. В. Плакс, В. П. Феоктистов; Под ред. А. Н. Савоськина. М.:Транспорт, 1990. -311 с.

62. Деев В. В., Ильин Г. А., Афонин Г. С. Тяга поездов: Учебное пособие для вузов/ Под ред. В. В. Деева.-М.Транспорт, 1987,264с.

63. Ефремов И. С., Карибов С. И. Об автоколебаниях в тяговом электроприводе локомотива при боксовании. «Электричество», 1987, №9, с. 42-47.

64. Павленко А. П. Динамические процессы в опорно-рамном приводе грузовых локомотивов при боксовании. Вестник ВНИИЖТ; 1984, №8, с. 27-31.

65. Раков В. А. Локомотивы и моторвагонный подвижной состав. М.: Транспорт, 1979.213 с.

66. Калинин В. К., Михайлов Н. М.З Хлебников В. Н. Электроподвижной состав железных дорог. М.: Транспорт, 1972. 536 с.

67. Разработка новых электровозов и электропоездов. // Сб. научн. тр. Всерос. н. -и. и проект, -констр. ин-т электровозостр., Новочеркасск, 1995, №35, с.3-8.

68. Имитационное моделирование в среде Windows. Санкт-Петербург: КОРОНА принт, 1999. 287 стр.

69. Основы электрического транспорта. Учебник Тулупов В. Д., Слепцов М.А., Долаберидзе Г.П. Дрокопович А.В., Савина Т.И. Изд-во «Академия», 2006, 464 с.