ЭЛЕКТРОПОЕЗД

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту и касается конструкции электропоездов.
Электропоезда второй половины XX века, например, электропоезда постоянного тока ЭТ2, ЭТ2М, ЭР2Т и ЭД2Т отечественного производства, оснащены аналоговой (релейной) системой управления, в которой последовательность включения аппаратов определяется механическими блокировочными контактами, нормально разомкнутыми или нормально замкнутыми. Блокировочные контакты одного аппарата, как правило, установлены в цепь питания катушки другого аппарата, для функционирования одного аппарата от действия другого. При этом основную роль играет электрическая схема цепей управления электропоезда.
Для электропоездов аналоговой (релейной) системой управления характерна жесткость логики, ограничивающей функциональность управления режимами работы тяговых электродвигателей, низкий технический уровень, а также невозможность совмещения функций управления и диагностики, реализации модульных принципов построения электропоездов, выполнения с высокой точностью графика движения, выбора рациональных с позиций экономии электроэнергии и выполнения требований безопасности режимов движения и тем самым облегчения труд машиниста.
Известен электропоезд Desiro Rus фирмы Siemens (см. Руководство по эксплуатации электропоезда Desiro Rus A6Z00033062562 версия С от 28.01.2014 и В. Циглер, Р. Манглер. Desiro RUS - перспективный пригородный электропоезд. Железные дороги мира - 2012, №4).
Конфигурация электропоезда основной составности включает в себя пять разных типов вагонов:
два головных моторных вагона А и В с кабинами управления;
два прицепных промежуточных вагона С и Е с тяговым оборудованием;
один прицепной средний вагон D.
Состав электропоезда формируется по схеме (A+C+D+E+B). На участках с высоким пассажиропотоком конструкция электропоезда позволяет осуществлять соединения двух электропоездов в один состав с возможностью управления сдвоенным составом из одной кабины управления. Управление и контроль сложным электротехническим и электронным оборудованием производится центральной системой управления (ЦСУ), предназначенной для защиты и управления тяговым оборудованием, а также обеспечения взаимодействия и контроля всех систем электропоезда. ЦСУ выполнена на основе системы управления SIBAS 32 фирмы SIEMENS. Основа системы - промышленная сеть реального времени, которая со временем вылилась в поездную коммуникационную сеть TCN (Train Communication Network), представляющая собой комбинацию двух промышленных сетей: MVB (Multifunction Vehicle Bus) - бортовая сеть единицы подвижного состава - вагона, иначе вагонная сеть, и WTB (Wire Train Bus) - поездная сеть, объединяющая MVB-части в единую систему управления поездом.
ЦСУ состоит из следующих основных компонентов: двух центральных блоков управления (ЦБУ), блока управления приводом (БУП), модуля контроллера машиниста, системы ввода/вывода, репитера.
Обмен данными между блоками ЦСУ производится через поездную коммутационную сеть. ЦБУ служит для управления главными и вспомогательными устройствами электропоезда, а также с помощью подключенных систем безопасности осуществляет сбор и анализ данных участков пути следования. ЦБУ выполнен на основе микропроцессоров и микроконтроллеров. Один из двух ЦБУ работает в режиме главного, другой - в режиме подчиненного. Переключение ЦБУ осуществляется случайным образом, образуя цикл определения главного ЦБУ. Сложное электронное и электротехническое оборудование при объединении в сеть требует однозначной адресации всех элементов. Компоненты ЦСУ расположены в пультах машиниста, шкафах низковольтного оборудования. ЦБУ выполнен в виде двух идентичных блоков, расположенных в подвагонном контейнере прицепных промежуточных вагона С и Е с тяговым оборудованием. БУП расположен в прицепном среднем вагоне D.
Недостатком известного электропоезда поезда является то, что для обеспечения функциональных связей между компонентами центральной системы управления необходимо повышенное количество межвагонных соединений, что значительно усложняет конструкцию электропоезда, повышает трудоемкость и себестоимость. В данном электропоезде отсутствует возможность произвольной конфигурации состава. Иными словами, длина поезда, число пассажирских мест и тяговые характеристики не поддаются легкой адаптации в соответствии с нуждами перевозчика. Каждый раз при изменении составности электропоезда необходимо производить перепрограммирование из-за наличия центральных блоков управления только в прицепных промежуточных вагонах С и Е с тяговым оборудованием и отсутствие открытости системы, позволяющей подключение любой периферийной системы для периферийных систем и вновь подключаемого оборудования. Существенным недостатком также является то, что ЦСУ построена на импортных компонентах.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является создание электропоездов с возможностью гибкого конфигурирования составности с высокими параметрами защищенности и резервирования данных, высокими эксплуатационными характеристиками, надежностью, функциональной безопасностью и с использованием в ЦСУ компонентов отечественного производства.
Указанный технический результат достигается следующим образом. Электропоезд пятивагонной основной составности включает систему управления электропоездом. Система управления электропоездом имеет иерархическую структуру и выполнена в виде бортовой микропроцессорной системы управления и диагностики (МПСУиД), построенной по модульному принципу. Блоки МПСУиД соединены между собой посредством интерфейсов CAN 2.0, Ethernet и RS-485. Благодаря распределению блоков МПСУиД по вагонам электропоезда и установки центрального блока управления в каждом вагоне электропоезда имеется возможность наращивания составности электропоезда до 20 вагонов. При этом микропроцессорная система управления и диагностики выполнена с учетом резервирования блоков по мажоритарному принципу "два из трех" с минимизацией межвагонных соединений с возможностью подключения периферийных систем стороннего оборудования по различным линиям связи. Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами, где: На фиг. 1 показано размещение оборудования МПСУиД снаружи электропоезда и в кабинах управления головных моторных вагонов;
На фиг. 2 показано размещение оборудования МПСУиД в электропоезде.
В связи с тем, что графическое изображение фигур заявленной полезной модели плохо читаются при вертикальном расположении длинных сторон листов, целесообразно было расположить листы горизонтально, что позволило существенно укрупнить чертежи.
Электропоезд 1 пятивагонной основной составности состоит из двух головных моторных 2.1 и 2.2 с кабинами управления 3.1 и 3.2, двух прицепных промежуточных с тяговым оборудованием 4.1 и 4.2 и среднего прицепного 5 вагонов и включает систему управления электропоездом 6. Система управления электропоездом 6 имеет иерархическую структуру и выполнена в виде бортовой микропроцессорной системы управления и диагностики МПСУиД 7. МПСУиД 7 построена по модульному принципу, блоки которой соединены между собой посредством интерфейсов CAN 2.0, Ethernet и RS-485. МПСУиД 7 предназначена для управления, регулирования, контроля и диагностики, всех систем электропоезда 1 путем соблюдения логической последовательности полученных команд и сигналов. Блоки МПСУиД 7 расположены в каждом вагоне и получают питание от бортовой сети постоянного тока 110 В и 50 В. Блоки соединены между собой посредством интерфейсов: CAN 2.0, Ethernet и RS-485 (управляющие линии связи ЛС57 и ЛС250). МПСУиД 7 состоит из следующих основных блоков: центральных блоков управления (ЦБУ) 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 и 8.5, блоков связи (БСП) 9.1 и 9.2 с пультами управления 10.1 и 10.2 с мониторами (ИЧМ) 11.1 и 11.2, блоков управления контакторами (БУК) 12.1 и 12.2, блоков входных сигналов (БВС) 13.1, 13.2, 13.3, 13.4 и 13.5, блоков связи со средствами измерения (БС-СИ) 14.1, 14.2 и 14.3, блоков связи с датчиками давления (БС-ДД) 15.1 и 15.2, блоков преобразования линий (БПЛ) 16.1, 16.2, 16.3, 16.4, 16.5, 16.6 и 16.7, источников питания МПСУиД (ИП-ЛЭ) 17.1, 17.2, 17.3, 17.4 и 17.5, преобразователей напряжения в код (ПНКВ) 18.1, 18.2, 18.3 и 18.4. Блоки МПСУиД 7 размещены в шкафах 19.1, 19.2, 20.1 и 20.2, в потолочных контейнерах 21.1, 21.2 и 22, в подкузовных контейнерах 23.1, 23.2, 23.3, 23.4 и 23.5. МПСУиД 7 выполнена с учетом резервирования блоков по мажоритарному принципу "два из трех" с минимизацией межвагонных соединений с возможностью подключения периферийных систем стороннего оборудования по различным линиям связи. МПСУиД 7 путем распределения блоков по вагонам электропоезда 1 и установки ЦБУ в каждом вагоне электропоезда 1 обеспечивает возможность наращивания составности электропоезда до 20 вагонов. Общепоездная шина Ethernet предназначена для управления отдельными вагонами как одного электропоезда, так и при соединении двух электропоездов и обеспечивает управление сдвоенного состава поездов. ЦБУ 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 и 8.5 подключаются к линиям связи Ethernet через коммутаторы поездной линии (КПЛ) 24.1 и 24.2, 24.3 и 24.4, 24.5 и 24.6, 24.7 и 24.8, 24.9 и 24.10, соответственно. Для обеспечения возможности резервного переконфигурирования линии с целью обхода поврежденного участка КПЛ каждого вагона соединены между собой перемычкой. Управляющая линия поезда выполнена резервированной, благодаря чему управление поездом сохраняется при наличии одной произвольной неисправности в каждом из вагонов. При отсутствии неисправностей линий связи сигнал через перемычку не проходит, и обе линии работают независимо. Управляющая линия вагона ЛС-57 предназначена для передачи данных от блоков МПСУиД 7. Выполнена линия дублированной по стандарту RS-485. При отсутствии неисправностей линий связи обмен данными производится по обеим линиям параллельно со сдвигом данных во времени и эффективная скорость обмена данными увеличивается. При неисправности одной из линий обмен данными производится по одной оставшейся. Наиболее ответственные блоки ЦБУ 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 и 8.5, и БСП 9.1 и 9.2 имеют три независимых канала. Управляющая линия связи вагона ЛС-250 предназначена для подключения блоков МПСУиД 7 и вновь разрабатываемого оборудования, а также устройств, требующих пересылки большого объема данных (обмен данными с ИЧМ 11.1 и 11.2, управление тормозным оборудованием, дверями вагона, климатическими установками). Линия выполнена дублированной. Организация информационного обмена в линиях аналогична линии связи ЛС-57. Общесистемная линия связи кабины CAN предназначена для связи устройств, необходимых для работы только в активной кабине управления, с системой управления электропоездом. К таким устройствам относятся: система обеспечения безопасности движения, система автоматического ведения поезда, система диагностики и информирования машиниста о техническом состоянии электропоезда, система технологической цифровой радиосвязи. Иерархическая структура МПСУиД 7 выполнена трехуровневой.
Нижний (1-й уровень) включает в себя подсистемы измерения тока, напряжения, давления, сопротивление изоляции цепей управления, сопротивление изоляции тяговых двигателей, температуры, подсистему измерения скорости, защиты от скольжения и юза, подсистему речевого информирования машиниста, подсистему индикации, подсистему технологической радиосвязи, подсистему контроля букс.
Средний (2-й уровень) обеспечивает взаимосвязь пульта управления с различным оборудованием всех вагонов, а также связь между верхним и нижним уровнем системы. Для исключения аварийных ситуаций и потери управляемости электропоезда при неисправностях, возникающих блоках этого уровня, блоки выполнены с двукратным и трехкратным резервированием. Блоки второго уровня: ЦБУ, БСП, БВС, БУК, мониторы ИЧМ.
Верхний (3-й уровень) включает в себя подсистемы - автоведения, диагностики, систему обеспечения безопасности движения, систему технологической цифровой радиосвязи. При возникновении неисправностей в блоках верхнего и нижнего уровней не происходит полного отказа электрического оборудования электропоезда. Может быть лишь ограничение функционирования. Поэтому данные устройства не имеют резервирование или имеют, но частично. Одиночный пятивагонный поезд имеет постоянную конфигурацию оборудования. Переформирование состава не предусмотрено. При эксплуатации по системе многих единиц (СМЕ) общепоездные шины Ethernet соединены в головных вагонах поезда. Выполнение и контроль функций управления в данном случае обеспечивается полностью.
Система МПСУиД 7 рассчитана на объединение разных типов. При доработке МПСУиД может обеспечить работу поезда по принципу автономных вагонов, что позволяет собрать поезд в нужное количество вагонов (по желанию заказчика) при этом данный поезд будет иметь всего два головных вагона.
Питание МПСУиД 7 осуществляется от источников питания ИП-ЛЭ по двум независимым линиям питания 50 В. При этом каждый блок МПСУиД 7 содержит две независимых подсистемы питания, преобразующих входное напряжение 50 В в напряжение необходимое для работы собственных элементов. В случае пропадания напряжения в одной из линий питания, либо выходе из строя соответствующей ей подсистемы питания блоков, блоки продолжают функционировать. Допускается снижение функциональности блоков, не приводящее к остановке поезда.
ЦБУ выполняет следующие основные задачи: - управление главной электрической цепью, управление дверьми на верхнем уровне, управление кондиционерами на верхнем уровне, управление режимами работы поезда, управление заданными значениями для тяговых установок, управление тормозной системой и выполнение поездной диагностики.
ЦБУ имеет три независимых канала. Система работает по мажоритарному принципу "два из трех", поэтому в каждую линию связи посылаются пакеты данных от каждого из трех каналов. Каждый ЦБУ имеет три фиксированных адреса. Адрес содержит тип подвижного состава, заводской номер вагона, номер линии. По каждой линии связи системы управления передаются:
от головного вагона - блок команд управления поездом, в который входят команды управления тягой, торможением, климатическими установками, дверями и другим оборудованием;
к головному вагону от всех остальных вагонов - блок данных сигнализации, в который входят данные о режимах работы оборудования и результаты диагностики вагона;
данные информационной системы электропоезда, в случае информационной, нерезервированной линии связи.
ЦБУ расположены в каждом вагоне электропоезда и являются связующим узлом между всеми подсистемами, обеспечивая управление и диагностику. Каждый ЦБУ в отдельности выполняет управление и диагностику всех подсистем и блоков в пределах своего вагона. После включения питания аккумуляторных батарей каждый ЦБУ передает запросы по поездной линии связи Ethernet, в процессе обмена в каждом ЦБУ создается динамическая адресная таблица, устанавливаются признаки наличия связи. После активации кабины машиниста ЦБУ, расположенный в данном вагоне, получает статус «ведущей» секции, т.е. осуществляет функции ведущего блока и посылает команды на управления и конфигурацию состава на все оставшиеся ЦБУ. После получения статуса «ведущий» ЦБУ выполняется инициализация (определение конфигурации) и устанавливается порядковый номер, равный единице. Во время инициализации системы определяется порядковый и заводской номера, количество и тип вагонов, а также их ориентации в составе электропоезда. При наличии сигнала в поездной линии связи об установке статуса «ведущего» ЦБУ на головном вагоне, происходит присвоение статуса «ведомый» всем остальным ЦБУ вагонов. Каждый ЦБУ ведомого вагона устанавливает свой порядковый номер, который на единицу больше количества вагонов, подключенных к тому порту, по которому получены запросы от ведущего вагона. Статус ведущего вагона не устанавливается или сбрасывается в случае наличия в обмене другого ведущего вагона. ЦБУ на ведомых вагонах устанавливает (сбрасывает) признак встречного включения ведущего и ведомого вагона, если признаки обратной ориентации ведущего и ведомого вагона различны (совпадают). На ведущем вагоне признак встречного включения сброшен всегда.
По всему поезду ЦБУ предоставляет информацию о системном времени от системы обеспечения безопасности движения. Системное время, периодически подаваемое через поездную сеть, вводится всеми периферийным системам с помощью кодового взаимодействия и сохраняется в случае проведения диагностики. События компонентов и систем без прямого подключения к поездной линии связи подключаются к центральной диагностической системе через БВС. Диагностика полученных сигналов регистрируется в памяти МПСУиД 7. ЦБУ регистрирует все активные устройства поездной линии связи и посылает диагностические сообщения об отсутствующих устройствах. Наращивание системы управления для подключения новых устройств возможно путем добавления БПЛ.
В системе управления представлено резервное исполнение всех линий связи. Также все устройства системы управления МПСУиД 7 резервированы внутри себя. Резервное исполнение ЦБУ в секции электропоезда осуществляют взаимный контроль, резервное подключение обслуживающих элементов (выключатель переключения движение/торможение), необходимых для движения и торможения, к системе управления через блок связи с пультом (БСП). Линия связи Ethernet, соединяющая друг с другом блоки управления сегмента электропоезда, для передачи данных имеет резервную двухпроводную линию и соответственно резервные каналы передачи данных, причем система управления запрашивает пакеты данных на обеих двухпроводных линиях. Каждое подключение устройство контролирует получение данных на обеих линиях и для приема выбирает после анализа контрольной суммы соответственно лучший канал передачи. ЦБУ регистрирует и сообщает о нарушении передачи данных по линии.
БСП предназначен для обработки сигналов, поступающих от органов управления. С целью обеспечения резервирования и достоверности передаваемых данных БСП имеет три независимых линии связи.
БВС предназначен для приема дискретных сигналов, поступающих от цепей управления электропоезда, и передачи обработанных сигналов в две линии связи по интерфейсу RS-485. Блок состоит из корпуса, в котором установлено два идентичных модуля, что позволяет обеспечить его работоспособность в случае отказа одного из них.
БУК предназначен для управления электромагнитными и электропневматическими контакторами электропоезда в соответствии с управляющими сигналами, поступающими по линии связи. Блок состоит из двух идентичных каналов, что позволяет обеспечить его работоспособность в случае отказа одного из каналов.
БПЛ представляет собой независимый, выполненный в виде отдельного устройства блок, состоящий из двух идентичных каналов. В случае выхода из строя, пропадании питания одного канала, обрыва, замыкания соответствующих ему линий связи, второй канал продолжает выполнять возложенную на него функцию. Основной задачей является получение и передача данных от оборудования по первой и второй линиям связи, их первичная обработка, а также пересылка и получение информации по линии связи ЛС-250.
БС-ДД предназначен для преобразования напряжения, поступающего с датчиков давления, в цифровой код и последующей передачи его в МПСУиД 7 по двум парам линии связи RS-485. Также БС-ДД служит для измерения сопротивления изоляции цепей управления относительно корпуса электропоезда.
БС-СИ предназначен для обработки поступающей информации от измерительной аппаратуры (датчики тока, датчики напряжения, датчики температуры) и дальнейшей передачи в МПСУиД 7.
ПНКВ предназначен для преобразования постоянного напряжения в последовательный код и передачи результата по линии связи RS-485.
Управление электрическим оборудованием электропоезда осуществляется системой МПСУиД 7 автоматически или при управляющих действий от органов управления, поступающих с пульта машиниста. После активации кабины и определения конфигурации происходит разблокировка органов управления (кнопки, переключатели, тумблеры) пульта машиниста.
В результате при воздействии на любой из органов управления, создается управляющий сигнал, который поступает на блок БСП, где сигнал обрабатывается и передается в ЦБУ. ЦБУ получив команду от БСП на выполнение определенных действий (включение аппарата, электрического оборудования), отправляет на блоки БВС запрос о готовности, т.е. выполнены ли все условия необходимые для нормальной работы оборудования (сняты все запреты и блокировки, отсутствие неисправностей и т.д.). При выполнении всех условий создается сигнал «разрешение» и блок БВС передает его в ЦБУ. ЦБУ получив сигнал от БВС о готовности оборудования к работе (сигнал «разрешение»), передает управляющий сигнал в блок БУК. Блок БУК получив команду от ЦБУ на включение какого-либо электрического оборудования, соединяет свои выходы с общей шиной ПО В. В результате создается цепь питания низковольтного оборудования. После питания электрического оборудования блоки БСП, БВС и БУК передают сигналы в ЦБУ о фактическом состоянии электрического оборудования. ЦБУ, получив сигналы от блоков, преобразует их и передает на монитор ИЧМ. В результате на мониторе ИЧМ выводится визуальная информация о состоянии электрического оборудования, а при его неисправности диагностические сообщения. Дополнительно в ЦБУ поступают сигналы от остальных блоков МПСУиД 7, которые обеспечивают контроль всех параметров и граничных значений (ток, напряжение, температура, скорость), необходимых для исправной работы электропоезда.
Процесс конфигурации электропоезда начинается после запуска аккумуляторной батареи и контакторов управления МПСУиД 7. В этот период происходит опрос блоков системы управления, определения их ориентации в составе поезда и определение конфигурации оборудования для каждого конкретного вагона. Всего МПСУиД 7 различает три типа вагонов в пятивагонном поезде.
Каждый ЦБУ имеет в программном модуле заложенную ранее конфигурацию по типу вагонов, которые планируется эксплуатировать. По сути ЦБУ ведущего вагона не отличается от ЦБУ прицепного, что позволяет гибко эксплуатировать систему управления. В случае замены или добавления устройств либо периферийных систем, достаточно перепрограммировать ЦБУ. Проверка данных конфигурации электропоезда осуществляется после включения аккумулятора и запуска контакторов системы управления поездом с помощью выключателя управления. При этом записанные в памяти данные конфигурации считываются в ЦБУ.
При проверке данных конфигурации электропоезда сравниваются между собой ЦБУ головного вагона, где было включено управление, и ЦБУ прицепных вагонов, а также состояние остальных блоков системы управления МПСУиД. Данные записаны на программируемом энергонезависимом устройстве.
Инициализация (определение конфигурации) заканчивается успешно при отсутствии несоответствий количества вагонов порядковым номерам и отсутствии ошибок расположения, ориентации вагонов. Устанавливается запрет на изменение порядковых номеров, ориентации вагонов в сцепе.
По окончании инициализации на всех вагонах (включая ведущий) ЦБУ устанавливает разрешение на исполнение всех остальных команд.
Полезная модель «Электропоезд» соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость», так как заявляемый электропоезд успешно испытан и внедрен в производство на ООО «Уральские локомотивы» г. Верхняя Пышма Свердловской области.