Способ и устройство контроля мощности дизель-генераторной установки тепловоза
METHOD AND DEVICE FOR POWER CONTROL OF A DIESEL GENERATOR SET OF A DIESEL LOCOMOTIVE

Способ и устройство контроля мощности дизель-генераторной установки тепловоза позволяют определять наличие отклонений от нормативных значений мощности дизель-генераторной установки тепловозов. Дизель-генераторная установка (ДГУ) является первичным источником энергии автономных локомотивах. На работу ДГУ влияют множество внешних и внутренних факторов. Снижение мощности, выдаваемой ДГУ, приводит к снижению скорости движения поезда по участкам с наибольшими подъемами и, в некоторых случаях, поезд может остановиться на подъеме, что потребует осаживания и/или вызова вспомогательного локомотива. Завышение нормативной мощности ДГУ приводит к повышению нагрузок на конструкцию дизеля, ускорению исчерпания его ресурса и преждевременному износу, что также нежелательно.
Традиционная технология предполагает, что машинист тепловоза, наблюдая за работой секций в течение поездки, может составить субъективное мнение о техническом состоянии локомотива и указать наличие отклонений в бортовом журнале технического состояния локомотива формы ТУ-152. Однако, из-за существенной разницы в условиях движения поезда (в первую очередь из-за разного плана и профиля пути), у машиниста может не оказаться физической возможности объективно оценить возможность выдачи номинальной мощности ДГУ при длительной работе тепловоза на высших позициях. Вследствие этого, машинист, принимающий тепловоз для движения с поездом по участку со сложным рельефом, может перед поездкой не получить объективной оценки технического состояния ДГУ из журнала формы ТУ-152 или со слов сдающего тепловоз машиниста.
В настоящее время на тепловозы при постройке или при модернизации устанавливаются цифровые системы, позволяющие контролировать работу ДГУ. Технология контроля предполагает сбор данных на съемном носителе с последующей передачей этого носителя для считывания накопленных данных и их обработки. Результаты такой обработки появляются через длительный период времени после окончания поездки, а доступ к результатам обработки имеет узкий круг специалистов. В то же время машинист тепловоза при приемке локомотива перед поездкой нуждается в оперативной и объективной оценке технического состояния ДГУ тепловоза.
Используемые в настоящее время аппаратно-программные комплексы, такие как АПК «БОРТ» [1], РПДА-Т/ТМ [2], УСТА, УПУ, МСУТ выполняют свои функции, среди которых не предусмотрена выдача машинисту оперативной и агрегированной информации о актуальном техническом состоянии ДГУ каждой секции.
Управление мощностью ДГУ может осуществляться машинистом непосредственно, через переключение позиций контроллера, которое приводит к изменению сигналов, подаваемых на вход регулятора частоты оборотов дизеля. При таком управлении традиционно используется трехпроводная или четырехпроводная связь между контроллером и регулятором. Соответственно, такими схемами обеспечивается 8 или 16 позиций регулирования. На маневровых локомотивах обычно достаточно 7 позиций, на поездных локомотивах используются 15 ходовых позиций. Нулевая позиция в обеих случаях соответствует холостому ходу дизеля при стоянке локомотива или при движении на выбеге.
В более современных системах управления между органом управления машиниста (контроллером, джойстиком) и регулятором оборотов дизеля может находиться дополнительный управляющий блок (как правило, с микропроцессорным управлением), воспринимающий «задание» от машиниста и реализующий управление мощностью ДГУ с учетом законов управления и дополнительных параметров, получаемых от множества датчиков. Такое, «опосредованное» управление, позволяет реализовать более безопасные режимы работы и предотвращает длительную перегрузку ДГУ.
Известны способы контроля состояния дизель-генераторов в эксплуатации на основе информации о вибрации и колебаниях базовых элементов двигателя или его отдельных узлов, например способ по патенту РФ №2682839 С1 «Способ контроля технического состояния судового дизель-генератора в эксплуатации» [3] или решение по патенту США №US20190296680A1 «Method and system for an engine» [4].
В отечественных и зарубежных источниках можно найти решения, обеспечивающие контроль состояния двигателей внутреннего сгорания и дизель-генераторных установок на основе анализа параметров масляной системы, например решение по патенту РФ №2334208 С1 «Устройство контроля технического состояния дизельных электрических станций» [5], решение по патенту США № US20020166366 Al «Method of monitoring engine lubricant condition» [6] или решение по патенту Японии № JP4842146 В2 «Method and apparatus for monitoring engine performance in response to soot accumulation in a filter» [7].
Ряд методов направлен на определение параметров работы двигателей внутреннего сгорания на уровне отдельных цилиндров, например решение по патенту Китая № CN101706370 В «Device and method for diagnosing cylinder of diesel engine» [8], что также требует использования высокопроизводительных микропроцессорных систем при реализации технического решения и не дает информации о работе ДГУ в целом, так как на выходную мощность ДГУ влияет не только реализованная в двигателе внутреннего сгорания цилиндровая мощность, но и, например, параметры управления возбуждением генератора.
Недостатками предложенных способов, с точки зрения применения их на тяговом подвижном составе, является их ориентация на предотвращение эксплуатации дизель-генератора в неисправном состоянии - по мере развития того или иного дефекта появляются признаки, позволяющие выявить условие остановки ДГУ или сигнализировать о его аварином (предаварийном) состоянии.
Предлагаемый способ заключается в постоянном контроле «запрошенной» машинистом или системой управления тепловоза мощности ДГУ и фактически выдаваемой мощности на выходе тягового генератора. Оценка мощности ДГУ осуществляется по показаниям датчиков тока и напряжения - произведение действующего значения тока и напряжения позволяет определить мощность в электрической цепи. При этом, в расчет принимаются только значения установившегося режима - при переключении позиции регулирования ДГУ, с учетом запаздывания в регуляторе, инерции вращающихся масс, возможностей топливной системы и системы наддува, необходимо некоторое время, чтобы набрать или сбросить обороты. Поэтому значения, полученные в течение нескольких секунд после изменения состояния сигналов, управляющих регулятором частоты оборотов дизеля, просто игнорируются. Контроль «запрашиваемой» мощности ДГУ осуществляется путем измерения (контроля) сигналов управляющих линий, подходящих к регулятору частоты оборотов дизеля. Измеренные дискретные значения сравниваются с нормируемым для текущей позиции регулирования диапазоном и классифицируются в зависимости от наличия или отсутствия отклонений и величины этих отклонений.
В результате непрерывных измерений с периодом 0,5-3 сек, по каждой позиции регулирования в оперативной памяти микроконтроллера формируются «минутные» массивы, содержащие информацию о заданной позиции регулирования и наблюдаемой мощности ДГУ. По окончании минуты, выполняется «свертка» этих массивов и корректировка «накопительных» (часовых) массивов в оперативной памяти, содержащих информацию о числе наблюдений и среднем (медианном) значении мощности, выдаваемой ДГУ в течение часа астрономического времени. По окончании часа происходит очистка устаревших данных и запись в энергонезависимую память микроконтроллера нового блока данных. После накопления данных за 24 часа происходит обработка «часовых» массивов и формируется «суточный» массив данных. Таким образом в энергонезависимой памяти микроконтроллера накапливаются массивы, содержащие сведения о истории работы ДГУ за несколько суток (72-240 часов).
Каждые 10-15 минут при условии работы тепловоза на низших или средних (до 11 позиции, 2/3 или 67% мощности ДГУ) происходит обработка накопленных значений по каждой позиции регулирования и в оперативной памяти микроконтроллера формируется «пиксельный» массив, используемый для визуализации результатов контроля на светодиодном индикаторе. Светодиодный индикатор представляет собой адресную светодиодную ленту с возможностью управления цветом и яркостью каждого светодиода. Это обеспечивает минимизацию числа портов микроконтроллера, через которые отображается выводимая информация.
В соответствии с алгоритмом обработки данных на светодиодный индикатор, соответствующий номеру позиции контроллера машиниста (или соответствующего диапазона мощности ДГУ), выводятся показания разного цвета:
«белый» - в том случае, если данных по текущей позиции недостаточно для оценивания;
«зеленый» - в том случае, если за период наблюдения ДГУ на этой позиции работала в установленном диапазоне мощности;
«желтый» - в том случае, если за период наблюдения выявлены периодические (мигающий «желтый»/переменное свечение) или постоянные (постоянное свечение) отклонения от номинального диапазона мощности на 10-15%;
«красный» - в том случае, если за период наблюдения выявлены периодические отклонения (мигающий «красный»/переменное свечение) или постоянное снижение мощности (постоянное свечение) более, чем на 15% от нижней границы номинального диапазона мощности ДГУ;
«синий» - в том случае, если за период наблюдения выявлены периодические отклонения (мигающий «синий»/переменное свечение) или постоянное завышение мощности (постоянное свечение) более, чем на 15% от верней границы номинального диапазона мощности ДГУ.
В целях индикации работоспособности устройства светодиоды последовательно и циклически гаснут на 1-2 секунды.
Для реализации предлагаемого способа, в составе устройства (рисунок 1) имеются микроконтроллер (1), датчики тока (2) и напряжения (3), биполярный источник питания датчиков (4), гальванические развязки для измерения состояния линий управления регулятором частоты оборотов дизеля (5, 6, 7, 8), источник питания микроконтроллера (9), массив светодиодных индикаторов (10), модуль часов реального времени RTC (11).
Заявляемое решение обеспечивает решение задачи оценки девиаций технического состояния ДГУ, приводящих к относительно небольшим, но существенным с точки зрения тяги поездов, «просадкам» мощности ДГУ, что не обеспечивают известные методы. Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию «новизна».
Заявляемое решение отличается простотой аппаратной и программной реализации, позволяет заблаговременно предупредить машиниста локомотива о наличии отклонений в работе ДГУ, что помогает машинисту принять обоснованное решение о возможности или невозможности следования поезда на участке железной дороги. Установка предлагаемого устройства на тепловоз не требует существенных изменений в силовой схеме или в цепях управления и может быть выполнена в процессе деповского ремонта. Благодаря низким требованиям к производительности аппаратной платформы и минимизации набора входных сигналов, устройство может быть изготовлено в необслуживаемом исполнении, обеспечивающем защиту от вредных факторов, присутствующих при эксплуатации и при ремонте тепловозов. Таким образом заявляемое решение соответствует критерию «промышленная применимость».
Важным моментом является тот факт, что оценка состояния ДГУ производится по объективным, однозначно трактуемым показаниям индикатора устройства, что исключает субъективный подход к оценке тяговых возможностей тепловоза. В условиях, когда эксплуатация и ремонт локомотивов осуществляется разными хозяйствующими субъектами, объективная оценка состояния ДГУ, обеспечиваемая предлагаемым устройством, становится важным процедурным моментом, на основе которого можно выстраивать регламент приемки локомотива в эксплуатацию и снятия локомотива с линии.
Отсутствие тождественных технических решений в рассматриваемой и смежных областях позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «изобретательский уровень».
Технико-экономический эффект применения заявляемого способа и устройства заключается в обеспечении доступа машиниста к оперативной и объективной оценки выдаваемой мощности ДГУ - основной силовой установки тепловоза. Наличие такой оценки позволяет исключить случаи отправления на линию поездов с «проблемными» локомотивами; сформировать простой и ясный для машиниста и ремонтного персонала критерий оценки состояния дизель-генераторной установки тепловоза; снизить вероятность остановки и осаживания поездов на участке железной дороги и, тем самым, существенно повысить стабильность работы и пропускную способность железной дороги.
1. Аппаратно-программный комплекс «БОРТ» [Электронный ресурс]. http://www.niitkd.com/locomotivnoe/ekspluatatsiya/аппаратно-программный-комплекс-борт-detail
2. Регистратор параметров движения маневровых РПДА-Т и магистральных РПДА-ТМ тепловозов [Электронный ресурс]. https://www.avpt.ra/products/dlya-teplovozov/registrator-parametrov-dvizhemya-manevrovykh-rpda-t-i-magistralnykh-rpda-tm-teplovozov/
3. Патент РФ №2682839 С1 «Способ контроля технического состояния судового дизель-генератора в эксплуатации» [Текст] / Николаев Н.И., Хекерт Е.В., Герасиди В.В., Лисаченко А.В. Опубликовано 21.03.2019 Бюл. №9.
4. Патент США № US20190296680A1 «Method and system for an engine» [Текст] / Subhas Chandra Das, Ajith Kuttannair Kumar, Shankar Chandrasekaran, Rupam Mukherjee. Опубликован 26.09.2019.
5. Патент РФ №2334208 C1 «Устройство контроля технического состояния дизельных электрических станций» [Текст] / Капелько К.В., Сергеев К.Г., Ковалев А.А., Карггусь В.В. Опубликован 20.09.2009.
6. Патент США № US20020166366 Al «Method of monitoring engine lubricant condition» [Текст] / Frank Bondarowicz, Kevin R. Calstrom, Gerald L. Larson. Опубликован 14.11.2002.
7. Патент Японии № JP4842146 B2 «Method and apparatus for monitoring engine performance in response to soot accumulation in a filter» [Текст] / Mert E. BerkmanEdward C. KinnairdJohn Brian AbelStephen Paul GoldschmidtSamuel N. Crane, Jr.Navin KhadiyaJon Joseph HuckabyWilliam Taylor, IiiWilbur H. CrawleyRandall J. JohnsonNicholas BirkbyDavid PearsonShoja FarrYougen Kong. Опубликован 12.07.2007.
8. Патент Китая № CN101706370B «Device and method for diagnosing cylinder of diesel engine» [Текст] / Wang Rugang, Huang Wei, Bai Haijiang, Liu Yongxin. Опубликован 12.05.2010.