Эксплуатация МСУТ тепловоза 2ТЭ116у, 2ТЭ25КМ, ТЭП70БС

МСУ-ТП тепловоза 2Т116У

Тепловоз 2ТЭ116У оснащен микропроцессорной системой управления, регулирования и диагностики электрической передачи тепловозов (МСУ-ТП), разработанной специально для локомотива данного типа. Различными исполнениями этой системы оборудованы уже более чем 200 новых тепловозов (МСУ-Т – ТЭП70У, МСУ-ТЭ – ТЭП70БС, МСУ-ТП – 2ТЭ70), которые эксплуатируются с 2006г. на железных дорогах России, Литвы, Белоруссии, Узбекистана.

Установка на пульте машиниста дисплейного модуля (ДМ) позволила отказаться от применения пультовых амперметров, электороманометрах и термометров, за исключением приборов контроля тормозного оборудования тепловоза. Теперь, находясь в кабине ведущей секции, локомотивная бригада имеет возможность контролировать на Дм практически все параметры основных и вспомогательных систем двух секций.

В случаях возникновения неисправности, несанкционированной работы исполнительного аппарата, выхода за предельно-допустимое значение любого из опрашиваемых параметров на ДМ появляется аварийное (предупредительное) сообщение с указанием неисправности и номера секции, на которой она возникла.

На тепловозе 2ТЭ116У система МСУ-ТП выполняет следующие функции:

1. управляет электрической схемой во всех режимах работы (пуск-остановка дизеля, холостой ход, тяга, электрическое торможение) по командам с пульта машиниста;

2. обеспечивает связь и взаимодействие с электронным регулятором дизеля ;

3. управляет электрической передачей тепловоза в режимах тяги и электрического торможения с автоматическим соблюдением всех ограничений;

4. включает и отключает контакторы ослабления возбуждения тяговых двигателей;

5. обеспечивает автоматическую защиту дизеля при аварийных или нештатных ситуациях с выдачей сообщений на ДМ;

6. автоматически защищает электрооборудование от перегрузок во всех режимах работы тепловоза с выдачей соответствующих аварийных сообщений на ДМ;

7. осуществляет защиту турбокомпрессора от помпажа за счет опережающего сброса нагрузки, по сравнению со снижением частоты вращения вала дизеля;

8. обеспечивает защиту от боксования и юза колесных пар с помощью системы поосного регулирования силы тяги с выдачей звукового сигнала в кабине машиниста;

9. ведет непрерывный мониторинг сопротивления изоляции низковольтных цепей;

10. осуществляет контроль сопротивления изоляции силовых цепей, обеспечивая сброс нагрузки, когда нарушается изоляция;

11. управляет замещением электрического тормоза пневматическим;

12. ограничивает заданную с контроллера машиниста скорость движения поезда при электрическом торможении тепловоза;

13. обеспечивает защиту от совместного применения электрического и пневматического тормозов тепловоза;

14. при необходимости осуществляет проверку исправности электрического тормоза на стоящем тепловозе;

15. выполняет автоматическую диагностику основного и вспомогательного оборудования тепловоза с выдачей на ДМ сообщений о неисправностях;

16. отображает на ДМ параметры основного м вспомогательного оборудования;

17. контролирует работу пожарной сигнализации с выдачей тревожного сообщения о наличии пожара на ДМ.

В состав системы МСУ-ТП входят следующие конструктивно законченные функциональные элементы и комплекты:

устройство обработки информации (УОИ);
дисплейный модуль (ДМ);
измеритель температурный (ИТ);
стабилизатор постоянного тока (СПТ);
задатчик позиций контроллера машиниста (КМ);
блок выпрямителей кремниевых (БВК);
комплект датчиков, измерительных преобразователей;
энергонезависимое запоминающее устройство (ЭЗУ)

Устройство обработки информации – главное устройство системы. Оно предназначено для реализации всех программных алгоритмов (управления электрической схемой, регулирования параметров электрической передачи, диагностики оборудования тепловоза). Конструктивно УОИ представляет собой шкаф с двумя дверцами.

Внутри верхней части шкафа смонтированы крейты (три этажа), в которые по направляющим вдвигаются блоки. Внутри нижней части шкафа расположен крейт (один этаж), в котором по направляющим вдвигаются входные и выходные платы. На лицевых панелях плат предусмотрены штепсельные соединители ( блочные части), к которым подключают кабели, соединяющие УОИ с электрической схемой тепловоза.

Блоки и платы снабжены лицевыми панелями и штепсельными соединителями типа 612С (DIN41612), могут перемещаться по направляющим, вставляются в ответные части разъемов, которые укреплены на задней части крейтов. Позади каждого крейта располагаются жгуты электромонтажа УОИ.

Дисплейный модуль. В качестве ДМ( рис.5) в системе МСУ-ТП используется блок ВС 4101 (4401) фирмы “Gersys”. ОН представляет собой бортовой компьютер, предназначенный для использования на железнодорожном транспорте. Дисплейный модуль – неотъемлемая часть системы МСУ-ТП. Он отображает в режиме реального времени рабочие параметры систем локомотива, а также информацию на русском языке о работе системы МСУ-ТП.

ДМ оснащен цветным жидкокристаллическим дисплеем (размер – 10,4 “; разрешение – 640*480 пикселей; 262144цвета, яркость – 450кд/м2, коэфицент контрастности 600:1), промышленным компьютером для мобильных применений на базе процессора Pentium MMX с ОЗУ емкостью 125 МБ, жестким диском на 20 ГБ, приводом CD-ROM и кнопчотой клавиатурой управления.

Дисплейный модуль имеет встроенный источник питания с широким диапазоном входного постоянного напряжения от 14,4 до 154В, а также источник бесперебойного питания (NiMH аккумулятор) на 30 мин работы. Рабочий температурный диапазон ДМ – от -25 до +55 градусов C.

Измеритель температурный служит для приема сигналов от термопреобразователей сопротивления и термопар, а также для преобразования их в цифровое значение и периодической передачи информации об измеренных значениях температуры в УОИ по последовательному каналу связи. ИТ представляет собой автономную многоканальную микропроцессорную систему сбора и передачи данных, выполненную на базе однокристального микроконтроллера фирмы «Atmel» (АТ89С51RD2-IM).

Конструктивно ИТ состоит из прямоугольного металлического корпуса, внутри которого расположена печатная плата. На нижней части корпуса закреплены светодиод ( индикатор включения питания) и шесть разъемов. Через эти разъемы ИТ соединяется с датчиком температуры, источником питания УОИ.

Стабилизатор постоянного тока предназначен для поддержания в заданных пределах напряжения питания потребителей – микропроцессорных систем управления, при просадках напряжения бытовой сети тепловоза во время пуска дизеля. Конструктивно СПТ представляет собой прямоугольный металлический корпус, внутри которого расположена печатная плата. На нижней части корпуса закреплен разъем. С его помощью СПТ соединяется со схемой тепловоза.

Задатчик позиций имеет вертикальную рукоятку позиционера, оканчивающуюся пластиковым шаром и переключателем реверсора – тумблером на три положения ( «Вперед», «Нейтраль», «Назад»). Задание тяговых позиций осуществляется от нулевой позиции по направлению «от себя» в порядке возрастания нумерации, тормозных – от нулевой позиции по направлению «к себе». Корпус задатчика изготовлен из алюминиевого сплава. Фиксируется рукоятка задатчика на заданной позиции при помощи шагового электромагнитного тормоза.

Блок выпрямителей кремниевых БВК-1012 предназначен для преобразования входного однофазного переменного напряжения от 70 до 290 В, частотой от 77 до 220Гц в регулируемое по величине постоянное напряжение не более 220 В (при токе нагрузки не более 220 А). Регулируемым напряжением блока БВК-1012 питается обмотка возбуждения тягового генератора магистральных и маневровых тепловозов переменно-постоянного тока.

Конструктивно выпрямитель представляет собой шкаф закрытого исполнения. В шкафу выпрямителя находится:

два тиристорных блока и четыре диодных, которые собраны в управляемый выпрямительный блок (на общем охладителе);
R-C цепи для защиты от перенапряжения;
две платы формирователей импульсов;
плата питания формирователей;
трансформатор синхронизации;
входные и выходные шины для подключения силовых цепей;
разъемы питания и управления (они расположены на боковой панели шкафа);
блок диодов заряда аккумуляторной батареи тепловоза.

Комплект датчиков, измерительных преобразователей состоит из преобразователей напряжения ПН1 для измерения токов и напряжений; универсальных датчиков угла поворота ДПС-У-01 для контроля скорости колесных пар; термопреобразователей сопротивления медных ТСМ 0618-01 для измерения температуры воды, масла и окружающего воздуха; датчиков избыточного давления ADZ-SML-10.2-1 (0,1-16кгс/см2).

Энергонезависимое запоминающее устройство представляет собой накопитель Flash Disk USB2.0 и предназначено для регистрации информации о работе оборудования тепловоза.

Структурная схема системы МСУ-ТП для тепловоза 2ТЭ116У представлена на рис.6. Включение системы и автоматическая загрузка программного обеспечения в устройство обработки информации и дисплейный модуль осуществляются до запуска дизеля тепловоза при включении соответствующих автоматических выключателей.

Ядро системы – устройство обработки информации. Это устройство содержит два идентичных полукомплекта – А и Б, которые конструктивно расположены в одном корпусе. Питание на оба полукомплекта устройства УОИ и дискретные датчики подается от бортовой сети тепловоза +-110В через два стабилизатора постоянного тока ( один питает полукомплект А, второй – Б). Аппараты обеспечивают стабильность напряжения питания, в том числе и во время запуска дизеля при глубокой просадке напряжения бортовой сети.

Работает всегда один полукомплект в зависимости от положения тумблера на шкафу УОИ, а второй находится в ненагруженном резерве. Переключение с рабочего полукомплекта на резервный осуществляется при заглушенном дизеле и отключенном питании УОИ тумблером на шкафу в положение А или Б.

Питание на дисплейный модуль подается от бортовой сети тепловоза, на температурный измеритель, комплект аналоговых и частных датчиков – от УОИ.

Из электрической схемы тепловоза в устройство УОИ поступает информация от аналоговых и частотных датчиков и преобразователей. Устройство также принимает дискретные сигналы состояния органов управления на пульте машиниста, реле и контакторов. Обмен информацией между УОИ и ИТ, а также электронным регулятором дизеля осуществляется по интерфейсу «Токовая петля», с ДМ – по интерфейсу»RS-422».

Межсекционная связь для обмена информацией располагает двумя каналами СОМ4 и СОМ5 (они дублируются). При этом используется интерфейс «Токовая петля».

Согласно алгоритмам программного обеспечения информация обрабатывается, и в электрическую схему тепловоза выдаются управляющие сигналы силовой коммуникационной аппаратуре (контакторам, реле, вентилям) для управления схемой тепловоза. УОИ рассчитывает и выдает электронному регулятору частоты вращения дизеля заданные значения частоты вращения коленчатого вала дизеля и режим работы тепловоза (холостой ход, тяга, электрический тормоз), которые он должен отработать.

Рассчитав заданное значение напряжения тягового генератора, УОИ оказывает соответствующее управляющие воздействие на тиристоры блока выпрямителей кремниевых БВК1012. Этим поддерживается заданное напряжение и соответствующим образом регулируется ток возбуждения тягового генератора.

Одновременно УОИ подает управляющий сигнал на управляемый шестиканальный выпрямитель М-ТПП-3600Д, который обеспечивает регулирование напряжения, подводимого к тяговым двигателям. Если боксование отсутствует, то напряжение ,на боксующем ТЭД уменьшается до момента выравнивания скоростей.

Чтобы облегчить труд локомотивной бригады и ремонтного персонала, программное обеспечение устройства УОИ выдает на ДМ аварийно-предупредительные сообщения о состоянии этого устройства и параметрах работы тепловоза. Сообщения появляются на дисплейном модуле обеих кабин. Убрать текстовую информацию с экрана можно только их кабины, на которую переведено управление тепловозом.

Необходимо помнить, что выдача информации на экран дисплейного модуля возможно только при наличии связи ДМ и УОИ. Сообщение «Нет связи с ДМ» говорит об отсутствии физического обмена между УОИ и ДМ и невозможности вывода на экран дисплейного модуля аварийно-предупредительных сообщений.

Эксплуатация системы МПСУ тепловоза 2ТЭ25К****М

Первый тепловоз, получивший обозначение серии 2ТЭ25КМ, был выпущен Брянским машиностроительным заводом в декабре 2014 г., а начиная с февраля 2015 г. было освоено его серийное производство. По состоянию на ноябрь 2019 г. выпущено более 460 тепловозов данной серии. В настоящее время локомотив 2ТЭ25КМ является единственным массово выпускаемым грузовым магистральным тепловозом, эксплуатируемым уже более чем в 22 эксплуатационных локомотивных депо ОАО «РЖД», АО «УБЖД» (Монголия) и на промышленных предприятиях России и Казахстана.

В рамках разработки проекта инженерным центром АО «УК "БМЗ"» совместно со специалистами АО «ВНИКТИ» были выполнены расчеты, подобрано электрооборудование, разработаны и внедрены алгоритмы управления электрической схемой и тяговым электрооборудованием.

При выборе структуры электрической схемы тепловоза 2ТЭ25КМ за базу были приняты основные технические решения, использованные ранее на тепловозах 2ТЭ116У. Выбор указанного прототипа объясняется тем, что тепловоз 2ТЭ116У является наиболее массовым в эксплуатации на отечественных и зарубежных железных дорогах и представляет собой надежный и современный локомотив.

Структурная схема электрической передачи тепловоза 2ТЭ25К****М

На тепловозе 2ТЭ25КМ изначально устанавливался электронный регулятор частоты вращения вала дизеля производства ООО ППП «Дизельавтоматика» (г. Саратов), а начиная со II квартала 2018 г. (с тепловоза № 319) заводом устанавливается система топливоподачи с электронным управлением фирмы «Heinzmann» (Германия).

На тепловозе 2ТЭ25КМ (так же, как и на 2ТЭ116У) реализована система поосного регулирования касательной силы тяги, обеспечивающая повышенные тяговые характеристики в случае возникновения неблагоприятных условий сцепления колесных пар с рельсами. Управление вспомогательными приводами реализовано на релейной основе с использованием головного микропроцессорного устройства.

Тепловоз оборудуется микропроцессорной системой управления и диагностики МПСУ-ТП, которая отвечает за управление электрической схемой и тяговым электрооборудованием во всех режимах работы локомотива.

Структура МПСУ-ТП тепловоза 2ТЭ25КМ несколько изменена по сравнению с системой тепловоза 2ТЭ116У. Так, на тепловозе 2ТЭ116У межсекционный обмен между устройствами обработки информации (УОИ) обеих секций реализован по последовательному каналу «Токовая петля», а обмен между УОИ и дисплейным модулем (ДМ) реализован по последовательному интерфейсу RS-422. На тепловозе 2ТЭ25КМ и межсекционный обмен, и обмен между УОИ и ДМ реализованы по каналу Ethernet. Регулятор фирмы «Heinzmann» подключается к УОИ через CAN-интерфейс.

На тепловозе 2ТЭ25КМ устанавливается УОИ, которое конструктивно отличается от УОИ тепловоза 2ТЭ116У тем, что оно не резервировано, и блоки питания разнесены по корпусу, а не собраны на отдельные платы. Значительная часть плат унифицирована для использования в обоих УОИ, а именно: БК (блок компьютера), БСК (блок силовых ключей), БОАД (блок обработки аналоговых датчиков), БУВ (блок управления возбуждением), БИВМ (блок интерфейса внутренней магистрали), БОЧД (блок обработки частотных датчиков).

Программное обеспечение, установленное в УОИ тепловоза 2ТЭ25КМ, позволяет выполнять следующие основные функции: управление электрической схемой тепловоза во всех режимах его работы (запуск/остановка дизеля, холостой ход/выбег, тяга, электрическое торможение) с обеспечением всех защит оборудования тепловоза:

> управление электрооборудованием с обеспечением заданных характеристик для каждой позиции (тока и напряжения тягового генератора, снимаемой мощности на зажимах выпрямительной установки) в режиме тяги, управление защитами электрооборудования в случае выхода параметров его работы за нормируемые пределы;

> управление электрооборудованием с поддержанием заданных характеристик для каждой позиции (тока возбуждения и тока якоря тяговых двигателей, тормозной силы) в режиме электрического торможения и управление защитами электрооборудования с автоматическим замещением электрического тормоза пневматическим;

> управление работой дизеля путем задания нужной частоты вращения вала в соответствии с установленной позицией контроллера машиниста с обеспечением всех его защит в аварийных ситуациях (снижение нагрузки, сброс нагрузки, остановка);

> управление поосным регулированием касательной силы тяги в случае ухудшения сцепления колеса с рельсом;

> обработка информации, поступающей от измерительных преобразователей, органов управления, релейно-контакторной аппаратуры от УОИ второй секции;

> защита силовой выпрямительной установки от внешних и внутренних коротких замыканий и при пробое изоляции силовых цепей;

> минимизация ущерба при срыве шестерни на валу ТЭД;

> регулирование температуры теплоносителей дизеля в автоматическом и ручном режимах;

> управление тормозным компрессором;

> управление автопрогревом дизеля в холодное время года; диагностика основного и вспомогательного оборудования тепловоза;

> вывод на экран ДМ информации о состоянии параметров основного и вспомогательного оборудования, тревожных сообщений о неисправностях оборудования и отклонении параметров от нормы с обеих секций.

Часть программных алгоритмов управления, применяемых на тепловозе 2ТЭ25КМ, ранее прошла испытания, отработку и обкатку на тепловозах 2ТЭ25К и 2ТЭ116У, но опыт эксплуатации указанных тепловозов, а также анализ предложений и пожеланий, поступающих от эксплуатационных депо, требуют постоянного совершенствования программного обеспечения (ПО).

На основании технических требований, выпускаемых инженерным центром АО «УК"БМЗ"», программно реализуются новые защитные алгоритмы. Обновляемое ПО проверяется на стендовом оборудовании АО «ВНИКТИ» с применением современных средств программно-аппаратного моделирования, а затем обкатывается на АО «УК «"БМЗ"» уже на реальном тепловозе при проведении пуско-наладочных работ и приемки службами ОТК завода и Центра технического аудита ОАО «РЖД». По завершении испытаний ПО разработчик в обязательном порядке сертифицирует ПО на соответствие требованиям безопасности информации и декларирует его на соответствие требованиям регламента ТР ТС.

Новые алгоритмы, реализованные в системе МПСУ-ТП тепловозов 2ТЭ25КМ, приведены в таблице.

Устройством, служащим для отображения всей рабочей и служебной информации о состоянии тепловоза, которая поступает от МПСУ-ТП, является дисплейный модуль Gersys 4401. Находясь в кабине ведущей секции, локомотивная бригада и обслуживающий персонал имеют возможность контролировать на ДМ практически все параметры основных и вспомогательных систем тепловоза.

Программное обеспечение МСУ-ТП в случае возникновения неисправности, несанкционированной работы исполнительного аппарата, выхода за предельно допустимое значение любого из опрашиваемых параметров обеспечивает выдачу на ДМ тревожного (предупредительного) сообщения с указанием неисправности и номера секции, на которой она возникла.

Сообщения и параметры работы обеих секций тепловоза высвечиваются на экране ДМ ведущей секции. На экране ДМ ведомой секции высвечиваются сообщения и параметры работы, имеющие отношение только к данной секции. Тревожное сообщение может быть удалено с экрана ДМ только из кабины, с которой осуществляется управление тепловозом. В тревожном сообщении указывается индекс секции («А» или «Б»), позволяющий определить, к какой секции тепловоза оно относится.

Необходимо помнить, что выдача информации на экран дисплейного модуля возможна только при наличии связи между ДМ и УОИ. Сообщение «Нет связи с ДМ» говорит об отсутствии физического обмена между УОИ и ДМ и невозможности вывода на экран дисплейного модуля аварийно-предупредительных сообщений.

Выдача сообщений и вывод на экран ДМ параметров работы ведомой секции возможны лишь при наличии межсекционного обмена между системами МПСУ-ТП обеих секций. Обмен информацией УОИ ведущей секции тепловоза с УОИ и ДМ ведомой секции осуществляется по сетевому протоколу Ethernet при помощи тепловозной локальной сети.

Дисплейный модуль пульта управления тепловоза 2ТЭ25КМ

Неотъемлемой частью микропроцессорной системы управления МПСУ-ТП тепловоза 2ТЭ25КМ является дисплейный модуль (ДМ). Он предназначен для отображения в режиме реального времени рабочих параметров систем локомотива и информации о работе системы МПСУ-ТП.

В качестве ДМ в системе МПСУ-ТП используется блок ВС4401 фирмы GerSys, представляющий собой бортовой компьютер, предназначенный для использования на железнодорожном транспорте. ДМ снабжен портативным источником питания с широким диапазоном входного постоянного напряжения от 14,4 до 154 В и источником бесперебойного питания, обеспечивающим работу устройства в течение 30 мин.

Доступная передняя створка ДМ позволяет быстро и легко сменить компакт-диск CD-ROM и подключить внешнюю клавиатуру с разъемом PS/2 или манипулятор типа «мышь» для проведения технического обслуживания. При этом демонтаж всего ДМ не требуется. На задней поверхности корпуса размещены разъемы, при помощи которых ДМ соединяется с внешними устройствами системы МПСУ-ТП.

Для оперативного управления ДМ (вывод диагностической информации на экран по запросу машиниста или обслуживающего персонала локомотивного депо, квитирование тревожных сообщений и др.) вокруг экрана имеется встроенная клавиатура из 25 клавиш (рис. 1). Клавиши клавиатуры промаркированы изнутри (для высокой устойчивости к стиранию и воздействию химикатов). Имеются также литерные клавиши и автоматическая подсветка клавиш.

На клавиатуре расположены следующие клавиши:

«◄» – влево;

«►» – вправо;

«▲» – вверх;

«▼» – вниз;

«Е» – приведение в действие выбранной кнопки на экране ДМ;

«1» – «8» — клавиши быстрого перехода по экранам;

«0» – сброс возникшего тревожного сообщения;

«St» – переключение языка отображения информации (для тепловозов закупленных Монголией);

«UD» – копирование архива зарегистрированных данных на съемный USB-накопитель.

Для работы в составе МПСУ-ТП в ДМ устанавливается специальное прикладное программное обеспечение, которое загружается после включения питания блока и прохождения программы самодиагностики.

Передача информации от ДМ к МПСУ-ТП осуществляется в двух направлениях: