Программный стенд для моделирования и отладки алгоритмического обеспечения системы управления тепловозом

УДК 629.424

ПРОГРАММНЫЙ СТЕНД ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОТЛАДКИ

АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЗОМ

С.З. Гургуров, М.Б. Никифоров, С.В. Сергеев

В данной работе рассмотрены вопросы разработки и отладки программного обеспечения для современных тепловозов на основе программного имитатора тепловозного оборудования. В статье рассмотрен вариант осуществления программного имитатора для вышеуказанных целей.

Ключевые слова: тепловоз, 2ТЭ116У, микропроцессорная система управления, имитационная модель.

В настоящее время остро стоит вопрос о необходимости создания стендов, позволяющих осуществлять проверку правильности выполнения алгоритмов и действий программного обеспечения современных локомотивов [1, 2]. Процесс разработки, отладки, оптимизации и сопровождения программного обеспечения связан с немалыми временными и финансовыми затратами. Управляющие программы для современных локомотивов не являются исключением.

Существующие методы разработки программного обеспечения современных локомотивов подразумевают создание программного обеспечения непосредственно на локомотиве или его дорогостоящих моделях. Кроме того, проверка алгоритмов управляющих программ для современных локомотивов проводится при создании критических условий работы оборудования, вследствие чего возникают мало контролируемые, опасные процессы, которые могут привести к выходу из строя некоторых узлов и агрегатов локомотива. Так же к негативным моментам можно отнести следующее: для внесения изменений и расширения функциональных возможностей программного обеспечения необходимо наличие дорогостоящей исследовательской технической базы и непосредственно локомотива.

Подведя итоги, можно прийти к выводу, что процесс разработки, отладки и сопровождения управляющих программ для локомотивов трудоемок, финансово затратен и связан с выводом локомотива из эксплуатации.

Для решения данной проблемы необходимо разработать подход, который позволит уменьшить риски выхода из строя локомотивного оборудования, а так же минимизировать время вывода локомотива из эксплуатации, что значительно сократит финансовые затраты и упростит решение производственных задач.

С этой целью предлагается имитатор локомотива (программный стенд), математическое описание которого, максимально приближено к описанию агрегатов настоящего локомотива. В качестве базовой модели

для создания стенда выбран тепловоз 2ТЭ116У [1], со сроком эксплуатации на Российских железных дорогах порядка 10 лет. В настоящее время на Российской железной дороге эксплуатируются более 450 тепловозов серии 2ТЭ116У (2ТЭ116У(М), 3ТЭ116У, 2ТЭ116УД(М), 2ТЭ116УР).

Описание основных узлов тепловоза, необходимых для разработки стенда.

Магистральный двухсекционный грузовой тепловоз 2ТЭ116У мощностью 2*2650кВт (2^3600 л.с.) с электрической передачей переменно-постоянного тока представляет собой усовершенствованную конструкцию ранее серийно изготавливавшегося 2ТЭ116. Его структурная схема представлена на рис. 1.

(Тяговые

'электродвигатели ЭД-133УХЛ1

Рис. 1. Структурная схема тепловоза

Тепловоз состоит [3] из двух одинаковых секций, управляемых с поста ведущей секции. Каждая секция может быть использована как самостоятельная тягловая единица. Секции тепловоза соединены автосцепкой. Тепловоз оборудован: дизель - генератором 18-9ДГ с электронным регулятором частоты вращения коленчатого вала, микропроцессорной системой управления и диагностики, выпрямителем М-ТПП-3600Д, комплексной системой безопасности КЛУБ-У и телеметрической системой контроля бодрствования машиниста ТСКБМ. Кроме того, тепловоз обладает повышенными тяговыми свойствами при неблагоприятных условиях сцепления колесных пар с рельсами благодаря системе поосного регулирования касательной силы тяги.

Дизель - генераторная установка локомотива 18-9 ДГ состоит из 16-цилиндрового четырехтактного дизеля 5Д49 и тягового генератора ГС-501 А, соединенных муфтой пластинчатого типа и смонтированных на общей раме.

Выпрямитель М-ТПП-3600Д предназначен для преобразования нестабильного по величине и частоте трехфазного переменного напряжения дизель - генератора в шесть независимо регулируемых постоянных напряжений для раздельного питания тяговых электродвигателей постоянного тока. Выпрямитель состоит из одного силового шкафа и управляется непосредственно от микропроцессорной системы управления (МСУ-ТП).

Описание компонентов микропроцессорной системы управления, регулирования и диагностики тепловоза.

Конструктивно законченные функциональные элементы и компоненты системы МСУ-ТП [4,5]:

- 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.

Устройство обработки информации - является ядром системы

МСУ-ТП. Служит для реализации программного обеспечения (ПО): управления электрической схемой, регулирования параметров электрической передачи, диагностики оборудования. Из электрической схемы локомотива в УОИ поступает информация от комплекта аналоговых и частотных датчиков, измерительных преобразователей, дискретные сигналы состояния органов управления, расположенных на пульте машиниста, дискретные сигналы состояния исполнительных устройств локомотива (реле, контакторы, электропневматические вентили и др.). По последовательным каналам связи УОИ осуществляет дуплексный обмен информацией с ДМ, с ЭРД, с ИТ, с УОИ другой секции локомотива.

Дисплейный модуль, для отображения параметров локомотива и вывода тревожно-предупредительных сообщений, в реальном времени, в системе МСУ-ТП используется блок ВС 4101(4401) фирмы аБЯ8У8, представляющий собой бортовой компьютер, предназначенный для использования на железнодорожном транспорте.

Измеритель температурный служит для приема сигналов от термопреобразователей сопротивления и термопар, для преобразования их в цифровое значение и для периодической передачи информации об измеренных значениях температуры в УОИ по последовательному каналу свя-

зи. ИТ представляет собой автономную многоканальную микропроцессорную систему сбора и передачи данных, выполненную на базе однокристального микроконтроллера фирмы «А1те1» (АТ89С51КБ2-1М).

Структурная схема одной секции системы МСУ-ТП для тепловоза представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема МСУ-ТП

После включения соответствующих автоматических выключателей происходит автоматическая загрузка программного обеспечения УОИ и ДМ. Согласно алгоритмам программного обеспечения информация обрабатывается, и в электрическую схему тепловоза выдаются управляющие сигналы силовой коммутационной аппаратуре (контакторам, реле, вентилям) для управления схемой тепловоза. УОИ рассчитывает и выдает ЭРД 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 ге-

нератора, УОИ оказывает соответствующие управляющие воздействия на тиристоры блока выпрямителей кремниевых БВК 1012. Этим поддерживается заданное напряжение и соответствующим образом регулируется ток возбуждения тягового генератора. Одновременно УОИ подает управляющий сигнал на управляемый выпрямитель М-ТПП-3600Д, который обеспечивает регулирование напряжения, подводимого к тяговым двигателям. Каждые две секунды УОИ получает значения температур от ИТ, по которым происходит реализация имеющихся алгоритмов защиты тепловозного оборудования от превышения допустимых температур теплоносителей, основных узлов дизеля (цилиндров, турбины). Вся полученная информация выводится на ДМ, что способствует быстрому, адекватному принятию решений локомотивной бригадой.

Программный имитатор тепловоза

Проведение работ по исследованию и поиску оптимальных режимов работы сложных систем наиболее эффективно проводить с использованием их имитационных моделей [6, 7]. Структурная схема имитатора тепловоза представлена на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема имитатора тепловоза

Имитатор состоит из следующих блоков:

- имитатор «Электронный регулятор дизеля», воссоздает работу электронного регулятора частоты вращения коленчатого вала дизеля. Позволяет задавать значения параметров дизеля в автоматическом и ручном режиме работы имитатора;

- имитатор «Измеритель температурный», воссоздает работу измерителя температурного. Позволяет задавать значения температур в автоматическом и ручном режиме работы имитатора;

- имитатор «Задатчик машиниста», воссоздает работу контроллера машиниста тепловоза. Позволяет изменять значения направления движения, режим работы тепловоза и позицию задатчика;

- имитатор дискретных сигналов датчиков, органов управления, контакторов, блокировок, воссоздает дискретные сигналы тепловоза необходимые для работы ПО УОИ, позволяет изменять их значения;

- имитатор датчиков тока, напряжения, давления, частоты, воссоздает аналоговые, частотные сигналы тепловоза необходимые для работы ПО УОИ, позволяет изменять их значение;

- контрольно-проверочная аппаратура (КПА), предназначена для проверки устройств, входящих в состав МСУ и используется в имитаторе для максимальной реалистичности воссоздания дискретных, аналоговых и частотных сигналов;

- система МСУ-ТП использует только необходимые узлы: УОИ и ДМ. Следует заметить, что ПО УОИ и ДМ является рабочим, т.е. непосредственно используется на локомотиве.

Подведя итоги, можно прийти к выводу, что рассмотренный нами имитатор, является не плохим подспорьем в отладке, проверке алгоритмов программного обеспечения тепловоза. Благодаря контрольно-проверочной аппаратуре, имитация проводится с максимальной точностью, приближенной к реальной, рабочей обстановке. Имитатор позволяет воссоздать работу практически всех узлов локомотива, необходимых для работы системы МСУ-ТП, что способствует проверке и отладке большинства имеющихся алгоритмов. Так же имитатор незаменим при разработке новых алгоритмов, так как позволяет приступить к кодированию, отладке и проверке правильности выполнения ПО без наличия локомотива.

Список литературы

1. Филонов С.П., Гибалов А.И. Быковский В.Е. Тепловоз 2ТЭ116. М.: Транспорт, 1985. 328 с.

2. Тепловоз 2ТЭ116У. Руководство по эксплуатации. Ч. 1: описание и работа. Луганск: ПАО «Лугансктепловоз», 2007. 149 с.

3. Собенин Л.А., Бахолдин В.И., Зинченко О.В., Воробьев А.А. Устройство и ремонт тепловозов. М.: Академия, 2004. 416 с.

4. Бабков Ю.В., Ким С.И. Система МСУ-ТП на тепловозе 2ТЭ116У. Журнал «Локомотив», 2009. №4. С. 14-19.

5. Сергеев С.В. Федоров М.В. Система МСУ-ТП на тепловозе 2ТЭ116У. Журнал «Локомотив», 2009. № 8. С. 15-18.

46

6. Душкин А.В., Новосельцев В.И., Сумин В.И. Моделирование систем управления и информационно-технического обеспечения. М.: Горячая Линия - Телеком, 2015. 192 с.

7. Пупков К. А. Моделирование и испытание систем автоматического управления. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. 88 с.

Гургуров Степан Захариевич, инж. 2 кат., tiuba@bk.ru, Россия, Коломна, «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» (АО «ВНИКТИ»),

Никифоров Михаил Борисович, канд. техн. наук, доц., nikiforov.m. b@evm.rsreu.ru, Россия, Рязань, Рязанский государственный радиотехнический университет,

Сергеев Сергей Валериевич, нач. отдела, oep31 Oarambler. ru, Россия, Коломна, «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава»

DIESEL LOCOMOTIVE CONTROL SYSTEM MODELLING S.Z. Gurgurov, M.B. Nikiforov, S. V. Sergeev

Abstract. This paper deals with questions of program software development and checkout for modern diesel locomotives using program imitator of diesel locomotive equipment. The program imitator embodiment for above mentioned purposes is carried out.

Key words. Diesel locomotive, microprocessor control system, program imitator.

Gurgurov Stepan Zaharievich, engineer 2cat., tiuba@,bk.ru, Russia, Kolomna, Scien-tific-Reseach and Design-Technology Institute of Rolling Stock (JSC "VNIKTI"),

Nikiforov Mikhail Borisovich, candidate of technical sciences, docent, nikiforov. m. b@evm. rsreu. ru, Russia, Ryazan, Ryazan State Radio Engineering University

Sergeev Sergei Valerievich, head of department, oep31 Oarambler. ru, Russia, Kolomna, Scientific-Re seach and Design-Technology Institute of Rolling Stock