artykul3320[1].pdf

technika

Kazimierz Lepiarczyk, Zbigniew Mantorski, Marek Nawara

Inteligentny system sterowania

lokomotywą ET22

W firmie PWPT WASKO Sp. z o.o. z Gliwic, na podstawie

własnej konstrukcji sterownika mikroprocesorowego, wy-

konano i wdrożono inteligentny, redundantny system ste-

rowania i diagnostyki w ramach gruntownej modernizacji

lokomotywy ET22. System ten zapewnia pełne zautomaty-

zowanie procesów obsługi lokomotywy, ich wizualizację

i pełną diagnostykę, zwiększając niezawodność lokomo-

tywy, bezpieczeństwo jej pracy i umożliwiając zmniejsze-

nie zużycia przez nią energii.

mienionych w przypadku jazdy uproszczonej oraz dodatko-

wo jeden z następujących podzespołów: sterownik jazdy

uproszczonej, amperomierz w kabinie aktywnej, prędko-

ściomierz w kabinie aktywnej lub zadajnik prędkości w ka-

binie aktywnej), albo negatywnym wyniku sprawdzenia

warunków początkowych;

 układ nie będzie realizować jazdy wielokrotnej lokomotyw.

Założono również, że system sterowania i diagnostyki loko-

motywy będzie obsługiwać następujące podsystemy i układy lo-

komotywy:

 system trakcyjny:

– przygotowanie do jazdy (sprawdzenie warunków początko-

wych, wybór kierunku jazdy);

– realizacja jazdy (sterowanie napędem – stycznikami, obli-

czenia trakcyjne);

– pomiary i zabezpieczenia (napięcia i prądy silników trak-

cyjnych, niezależny pomiar prędkości dla każdej osi po-

jazdu);

– układ przeciwpoślizgowy (likwidacja poślizgu kół przy roz-

ruchu, likwidacja poślizgu kół przy hamowaniu, obliczenie

prędkości pojazdu);

 system sprężonego powietrza:

– układ wytwarzania sprężonego powietrza (sprężarka po-

mocnicza, sprężarki główne);

– układ hamowania;

– odbieraki prądu;

– piasecznice;

– smarowanie obrzeży kół;

 napędy i układy pomocnicze:

– układ wentylacji silników trakcyjnych (sterowanie styczni-

kami wentylatorów, kontrola wentylacji/zabezpieczenia);

– układ wentylacji rezystorów rozruchowych (sterowanie

stycznikami, kontrola wentylacji/zabezpieczenia);

– system zasilania elektrycznego (wyłącznik szybki, prze-

twornice pomocnicze, monitorowanie napięć zasilają-

cych);

 system przeciwpożarowy (w zakresie diagnostyki);

 pomiar temperatury łożysk kół (w zakresie diagnostyki).

W ZNLE Gliwice S.A. przeprowadzono na zamówienie PKP Cargo

gruntowną modernizację lokomotywy ET22. Część dotycząca ste-

rowania i diagnostyki została zaprojektowana i zrealizowana przez

firmę PWPT WASKO Sp. z o.o. z Gliwic na podstawie własnej

konstrukcji sterownika mikroprocesorowego.

Założenia

Opracowywanie mikroprocesorowego systemu sterowania i dia-

gnostyki (SySiD) rozpoczęto od ustalenia założeń, z których naj-

ważniejsze to:

 układ sterowania będzie realizować kombinacje załączeń

styczników odpowiadające wszystkim pozycjom roboczym do-

tychczasowego zadajnika jazdy; styczniki liniowe i grupowe

umożliwiają połączenie silników trakcyjnych i oporów rozru-

chowych w trzy następujące układy:

1) połączenie szeregowe – silniki trakcyjne są połączone sze-

regowo w jedną grupę;

2) połączenie szeregowo-równoległe – silniki trakcyjne są po-

łączone w dwie gałęzie równoległe, po trzy silniki szerego-

wo w każdej gałęzi;

3) połączenie równoległe – silniki trakcyjne są połączone

w trzy gałęzie równoległe, po dwa silniki w każdej gałęzi;

 będą możliwe następujące stany pracy lokomotywy w zależno-

ści od sprawności systemu:

– jazda normalna – przy całkowitej sprawności SySiD oraz

bloku głównego lokomotywy;

– jazda awaryjna I lub II (z niepełnymi osiągami) – przy cał-

kowitej sprawności SySiD, a przy uszkodzeniu uniemożli-

wiającym prowadzenie jazdy normalnej;

– jazda uproszczona – przy częściowej niesprawności SySiD

oraz przy całkowitej lub częściowej sprawności obwodu

głównego lokomotywy (uszkodzeniu uległ jeden z poniż-

szych podzespołów: sterownik główny, sterownik pomiaro-

wy, przetworniki pomiarowe prądów i napięć, przetworniki

prędkości, panel operatorski w kabinie aktywnej); sterowa-

nie stycznikami obwodu głównego może przejąć sterownik

jazdy uproszczonej;

– blokada możliwości jazdy – przy częściowej niesprawności

SySiD oraz niektórych uszkodzeniach obwodu głównego

lokomotywy (uszkodzeniu uległ jeden z podzespołów wy-

Układ sterowania i jego realizacja

Schemat funkcjonalny systemu

W SySiD (rys. 1) można wyodrębnić następujące główne ele-

menty funkcjonalne systemu:

 sterownik główny,

 sterownik jazdy uproszczonej,

 sterownik pomiarowy,

 panele operatorskie.

Sterownik kontenera pneumatycznego oraz sterownik prze-

twornicy są elementami zewnętrznymi, a punktem styku jest sieć

światłowodowa z protokołem Modbus RTU.

12 /2004 41

technika

STEROWNIK GŁÓWNY LOKOOMOTYWY

KS-F485AIB

KONWERTER DC/DC

MELCHER /POWER ONE ES1601-9E

KONWERTER

ŚWIATŁOWO-

DOWY

110V DC

+24V DC

STEROWNIK

KONTENERA

PNEUMATY-

CZNEGO

12 wejść analogowych

KONWERTER DC/DC

MELCHER /POWER ONE ES1601-9E

6 wejść częstotliwościowych

KONWERTER

ŚWIATŁOWO-

DOWY

53 wejścia cyfrowe

74 wyjścia cyfrowe

110V DC

+24V DC

Sterownik Główny

KS-F485AIB

STEROWNIK

PRZETWORNICY

KONWERTER

ŚWIATŁOWO-

DOWY

KONWERTER

ŚWIATŁOWO-

DOWY

Sterownik Jazdy

Uproszczonej

Redundantna światłowodowa komunikacja ze

zmodyfikowanym szybkim protokołem MODBUS RTU

RS 232C Diagnostyczny

KS-F485AIB

PANEL

OPERATORSKI

KS-F485AIB

KONWERTER

ŚWIATŁOWO-

DOWY

KONWERTER

ŚWIATŁOWO-

DOWY

KONWERTER DC/DC

MELCHER /POWER ONE ES1601-9E

+24V DC

110V DC

11 wejść analogowych

Redundantna światłowodowa

komunikacja MODBUS RTU 115kbit/s

RS 232C Diagnostyczny

Sterownik Pomiarowy

KONWERTER DC/DC

MELCHER /POWER ONE ES1601-9E

KS-F485AIB

PANEL

OPERATORSKI

110V DC

+24V DC

1 wyjście cyfrowe

KONWERTER

ŚWIATŁOWO-

DOWY

KONWERTER DC/DC

MELCHER /POWER ONE ES1601-9E

+24V DC

STEROWNIK POMIAROWY LOKOOMOTYWY

110V DC

Rys. 1. Schemat funkcjonalny systemu

Sterownik główny (fot. 1) i sterownik jazdy uproszczonej wraz

z dwoma konwerterami światłowodowymi oraz dwoma zasilacza-

mi DC/DC są umieszczone w szafie w przedziale NN lokomotywy

i tworzą sterownik główny lokomotywy (SGL).

Sterownik pomiarowy wraz z konwerterem światłowodowym

i zasilaczem DC/DC są umieszczone w szafie w przedziale WN

lokomotywy, tworzą one sterownik pomiarowy lokomotywy (SPL).

Punktem styku między sterownikiem pomiarowym a sterowni-

kiem głównym jest sieć światłowodowa, oparta o zmodyfikowany

protokół transmisji MODBUS RTU.

Panele operatorskie wraz z zasilaczami DC-DC i konwerterami

światłowodowymi są umieszczone w obu kabinach maszynistów.

System logiki pojazdu jest oparty na połączeniach przewodo-

wych i redundantnej linii przesyłowej oraz na interfejsach z sy-

gnałami logicznymi i cyfrowymi z elektrycznych pulpitów stero-

wania, urządzeń elektronicznych i elektromechanicznych oraz

z przetworników sygnałów.

– pośrednio – za pomocą innych sterowników podłączonych

do sieci światłowodowej (np. ze sterownika kontenera

pneumatycznego);

 przetwarzaniu algorytmu sterowania lokomotywą;

 generowaniu sygnałów sterujących pracą lokomotywy:

– bezpośrednio – za pomocą kart wyjść cyfrowych;

– pośrednio – za pomocą innych sterowników podłączonych

do sieci światłowodowej (np. do sterownika kontenera

pneumatycznego);

 generowaniu informacji, które mają zostać wyświetlone na

ekranie panelu operatorskiego.

Sterownik główny zawiera dwa niezależne sprzętowo kanały

jednostki centralnej, których zadaniem jest realizacja tego same-

go algorytmu. Oprogramowanie każdego kanału jest tworzone

przez niezależnego programistę. Taki sposób wykonania oprogra-

mowania zapewnia:

 odporność na błędy programistyczne;

 weryfikuje prawidłowe wykonanie opracowanego i zaimple-

mentowanego algorytmu sterowania.

W przypadku uszkodzenia któregoś z kanałów lub niezgodno-

ści danych sterownik główny przestaje przetwarzać algorytm ste-

rowania lokomotywą. O zaistniałej sytuacji jest informowany ma-

szynista lokomotywy, który powinien uruchomić sterownik jazdy

uproszczonej.

Sterownik główny

Sterownik główny jest sterownikiem nadrzędnym, nadzorującym

współpracę pozostałych sterowników poprzez sieć światłowodo-

wą. Działanie sterownika głównego polega na:

 zbieraniu informacji na temat stanu pracy lokomotywy:

– bezpośrednio – za pomocą kart wejść analogowych, cyfro-

wych, częstotliwościowych;

12 /2004

technika

Sterownik pomiarowy

Sterownik pomiarowy ma za zadanie zbieranie informacji na te-

mat stanu czujników analogowych, których sygnały są prowadzo-

ne w przedziale WN (napięcie trakcyjne, napięcie baterii, prąd

trakcyjny, prądy w gałęziach silników, prądy wentylatorów) oraz

na generowaniu jednego sygnału cyfrowego sterującego wyłącz-

nikiem szybkim. Stan czujników analogowych jest czytany przez

sterownik główny za pomocą sieci światłowodowej.

Sterownik jazdy uproszczonej

Sterownik jazdy uproszczonej umożliwia jazdę lokomotywą z pew-

nymi ograniczeniami. Chodzi tutaj o przypadki, gdy awarii uleg-

nie sterownik główny lub zaistnieją okoliczności uniemożliwiają-

ce wykonywanie przez sterownik główny obliczeń trakcyjnych

(uszkodzeniu uległ jeden z poniższych podzespołów: sterownik

główny, sterownik pomiarowy, przetworniki pomiarowe prądów

i napięć, przetworniki prędkości, panel operatorski w kabinie ak-

tywnej).

Sterownik jazdy uproszczonej jest urządzeniem wykonanym

jednokanałowo, bez redundancji ma sprzętowo zaimplementowa-

ny, uproszczony algorytm sterowania lokomotywą zgodny z tym,

jaki wykonują procesory w sterowniku głównym. Sprzętowe roz-

wiązanie zapewnia znikomą możliwość uszkodzenia algorytmu,

a co za tym idzie minimalizuje prawdopodobieństwo unierucho-

mienia lokomotywy na szlaku.

Posiada możliwość zbierania i generowania informacji doty-

czących pracy lokomotywy tylko w sposób bezpośredni (za po-

mocą kart I/O). Podczas pracy nie komunikuje się z żadnym

z podzespołów podłączonych do obu sieci światłowodowych,

z wyjątkiem aktywnego panelu operatorskiego.

Fot. 1. Sterownik mikroprocesorowy zamontowany w lokomotywie Fot. M. Nawara

Właściwości systemu

SySiD jest oparty na technice mikroprocesorowej. Zawiera

elementy redundantne: dwukanałową jednostkę centralną CPU

i dwukanałową sieć komunikacyjną. Komunikacja między maszy-

nistą a systemem następuje poprzez panele operatorskie (wy-

świetlacze TFT z klawiaturą) umieszczone po jednym na pulpitach

maszynisty w każdej z kabin oraz zadajniki kierunku, prędkości

i wyłącznik rozrządu.

SySiD umożliwia przeprowadzenie następujących operacji:

 wsparcie dla maszynisty przy uruchamianiu lokomotywy oraz

w przypadku pojawienia się nieprawidłowości pracy lokomoty-

wy (m.in. odpowiednie komunikaty wyświetlane na panelu

operatorskim);

 ustawienie aparatów zgodnie z wybranym kierunkiem jazdy;

 sterownie siłą trakcyjną;

 pomiar napięcia sieci i prądów trakcyjnych;

 pomiar prędkości lokomotywy;

 działania korygujące podejmowane w przypadku ingerencji za-

bezpieczeń systemu trakcyjnego;

 likwidację poślizgu kół lokomotywy poprzez redukcję siły roz-

ruchu lub siły hamowania lokomotywy;

 sterowanie hamowaniem przez maszynistę;

 nadzór nad zasilaniem pomocniczym;

 interaktywne komunikowanie się maszynisty z SySiD za pomo-

cą panelu operatorskiego w kabinie;

 realizację jazdy uproszczonej (sterownik jazdy uproszczonej)

przy niesprawności sterownika głównego lub współpracują-

cych z nim podzespołów;

 polecenie zamykania i otwierania wyłącznika głównego z pul-

pitu;

 polecenie otwarcia wyłącznika głównego ze sterownika lub

bezpośrednio z innych urządzeń;

 zarządzanie logiką startu/stopu przetwornic pomocniczych;

 selekcjonowanie zasilania średniego napięcia w przypadku

usterki przetwornicy pomocniczej;

 sterowanie wentylatorami chłodzącymi silniki trakcyjne.

SySiD zawiera w swojej strukturze elementy diagnostyczne

umożliwiające realizację następujących zadań:

 identyfikację awarii wyposażenia (podzespołów), łatwą lokali-

zację uszkodzeń oraz informowanie o zbliżaniu się do parame-

Panele operatorskie

Zadanie paneli operatorskich polega na:

 wyświetlaniu informacji o parametrach pracy lokomotywy,

 informowaniu maszynisty o wszelkich nieprawidłowościach

pracy lokomotywy i stanach awaryjnych,

 systematycznym kompletowaniu zestawień danych (np. rodza-

je uszkodzeń przypadających na liczbę godzin pracy każdego

wybranego aparatu),

 możliwości zadania kierunku i prędkości jazdy w przypadku

uszkodzenia zadajnika kierunku i prędkości na pulpicie maszy-

nisty.

Panele operatorskie są podłączone do sieci światłowodowej,

opartej o protokół transmisji MODBUS RTU.

Sieć światłowodowa

Cała struktura SySiD jest powiązana za pomocą dwóch sieci

światłowodowych (rys. 1). Pierwsza z sieci, która wiąże ze sobą

następujące podzespoły:

 sterownik główny,

 sterownik kontenera pneumatycznego,

 sterownik przetwornicy,

 panele operatorskie,

jest oparta o protokół transmisji MODBUS RTU o prędkości trans-

misji 115 200 bit/s.

Druga sieć światłowodowa wiąże ze sobą sterownik główny ze

sterownikiem pomiarowym. Protokół transmisji tej sieci jest zmo-

dyfikowanym protokołem opartym o standard MODBUS RTU

o prędkości transmisji 625 000 bit/s.

12 /2004 43

technika

trów granicznych diagnozowanych urządzeń (zwiększenie nie-

zawodności pracy lokomotywy);

 pomoc operatorom przez dostarczenie dokładnych instrukcji

zadań, które muszą być wykonywane podczas przygotowania

lokomotywy i operacji naprawczych;

 systematyczne kompletowanie zestawień danych (np. typy

uszkodzeń przypadających na liczbę godzin pracy każdego

wybranego aparatu), umożliwiających opracowanie zbiorów

statystcznych do planowania zarządzania obsługą;

 wydruk zarejestrowanych danych, charakteryzujących pracę

diagnozowanych podzespołów.

Zakres diagnostyki obejmuje:

 obwód zasilania (monitorowanie stanu odbieraków prądu i wy-

łącznika szybkiego, liczby zadziałań operacyjnych i awaryj-

nych, rejestrację stanów wymienionych aparatów);

 obwód trakcyjny (monitorowanie zgodności stanów aparatów

i mierzonych prądów z wartościami zadanymi przez maszyni-

stę, monitorowanie stanów awaryjnych, rejestrację stanów wy-

mienionych aparatów);

 hamulec (monitorowanie zgodności ciśnień przewodu głów-

nego i cylindra z poziomami zadanymi hamowań, rejestrację

zgodności stanu wyłączników ciśnieniowych z wybranym try-

bem, rodzajem i funkcją zadaną przez programistę);

 przetwornice pomocnicze (monitorowanie pracy – gotowość

do pracy, stany przeciążenia, awarie);

 sprężarki główne (monitorowanie stanu pracy sprężarek głów-

nych – gotowość do pracy, awarie, czas pracy);

 zasilacze 110 V/24 V i 110 V ±15 V (napięcia zasilające);

 sterowniki mikroprocesorowe (autodiagnostyka, rejestracja

uszkodzeń);

 łożyska (pomiar temperatury);

 układy wentylacji (monitorowanie otwarcia żaluzji przewietrze-

nia oporników rozruchowych, monitorowanie pracy wentylato-

rów silników trakcyjnych);

 urządzenie przeciwpoślizgowe (sygnalizacja zadziałania);

 sygnalizacja pożaru ze wskazaniem jednej z trzech przestrzeni

lokomotywy.

Wszelkie stany awaryjne diagnozowanych urządzeń i podze-

społów są automatycznie wyświetlane na ekranie monitora.

Wizualizacja i komunikacja z maszynistą

Komunikację między maszynistą i systemem zapewniają przede

wszystkim panele operatorskie (monitory z klawiaturą) na pulpi-

tach maszynisty (fot. 3) obu kabin. Dostęp do różnych informacji

z monitora jest prowadzony poprzez strukturę drzewa i zorganizo-

wany w formacie menu. Podczas normalnego funkcjonowania

lokomotywy monitor jest aktywny. Dla wywoływania informacji wy-

korzystywane są dostępne dla personelu przyciski panelu opera-

torskiego.

Po uruchomieniu lokomotywy wraz ze startem systemu stero-

wania zostają uruchomione panele operatorskie w obu kabinach.

Kolejność pojawiania się ekranów oraz sposoby przejścia między

nimi przedstawiono na rysunku 2 (drzewo ekranów panelu opera-

torskiego).

Foto 2 przedstawia przykładowy ekran – podstawowy ekran

komunikacyjny JAZDA, na którym – w prawym dolnym rogu –

pojawia się lista stanów alarmowych, jeśli takowe wystąpią.

Po wybraniu przycisku oznaczonego „Alarmy” przechodzimy

do grupy ekranów, w których są zawarte dodatkowe informacje na

temat aktualnie aktywnych alarmów oraz historii alarmów.

Ekran zawiera listę alarmów (wraz z czasem pojawienia i za-

kończenia danego alarmu) posortowaną względem czasu zaist-

nienia alarmów oraz po naciśnięciu odpowiedniego klawisza

informującą o priorytecie i najprawdopodobniejszym źródle aktual-

nie wybranego alarmu.

Fot. 2. Podstawowy ekran komunikacyjny (JAZDA) z listą stanów alar-

mowych

Fot. M. Nawara

Badania ruchowe systemu

Wszystkie wytyczne badań technicznych zostały ustalone na pod-

stawie normy PN-EN 50155. System przeszedł wszystkie wyma-

gane próby typu i wyrobu.

Lokomotywa, wraz z opisanym w artykule systemem sterowa-

nia i diagnostyki, została odebrana przez komisarzy, dopuszczona

do ruchu i aktualnie przechodzi półroczną eksploatację obserwo-

waną, w wyniku której zostaną ustalone ostateczne właściwości

niezawodnościowe systemu.

Fot. 3. Pulpit maszynisty z ekranem panelu operatorskiego Fot. M. Nawara

Podsumowanie

Opisany inteligentny system sterowania lokomotywą spełnia

wszystkie postawione mu zadania, w zasadniczy sposób poprawia

bezpieczeństwo pracy lokomotywy, zwiększa jej niezawodność,

głównie dzięki swojej redundandności, poprawia łatwość obsługi

oraz dzięki rozbudowanemu systemowi diagnostycznemu ułatwia

znalezienie awarii i przyspiesza jej usunięcie. Stwarza również

możliwość optymalnego sterowania lokomotywą, co wpływa na

12 /2004

technika

Z dowolnego stanu poza:

-USZKODZENIE SPRZĘTOWE STEROWNIKA

-NIE MA TRANSMISJI

-JAZDA UPROSZCZONA

Załączenie lokomotywy

(start SySiD)

SySiD Wy

SySiD We

URUCHOMIANIE PANELU

OPERATORSKIEGO

Wyłaczenie

WRZ

NIE WYBRANO KABINY

(Żadna kabina nie jest aktywna.

Załacz rozrząd w wybranej

kabinie.)

Wybrano

rozrząd w

niewłaściwej

kabinie

EKRAN NIEAKTYWNY

(Kabina nieaktywna.

Strerowanie z drugiej kabiny.)

Wybrano

rozrząd w obu

kabinach

NIE WYBRANO KABINY

(Załaczono rozrząd w obu kabinach.

Wyłącz rozrząd w obu kabinach.)

SySiD We

KARTY

JAZDA UPROSZCZONA

LOGOWANIE

ModBus Wy

URUCHOMIENIE LOKOMOTYWY

-Warunki początkowe

-Test lampek

-Podnieś odbierak prądu

-Załącz WS

NIE MA TRANSMISJI

USZKODZENIE

SPRZĘTOWE

STEROWNIKA

WYBÓR KIERUNKU JAZDY

SCHEMAT LOKOMOTYWY

Schemat Lok

Jazda

MENU GŁÓWNE

SPRĘŻARKI CZ-1 SPRĘŻARKI CZ-1

KONTENER

PNEUMATYKI

ALARMY SORT AKTUALNE ALARMY

JASNOŚĆ EKRANU

WÓZEK CZ-1

WÓZEK CZ-2

USTAW DATE

HISTORIA ALARMÓW

SYSTEM TRAKCYJNY

Rys. 2. Drzewo ekranów panelu operatorskiego

zmniejszenie przez nią zużycia energii. System może być w przy-

szłości rozbudowywany i w przypadku dalszej modernizacji ukła-

du napędowego może być zastosowany w układach ze sterowa-

niem czoperowym.

WASKO jest jedną z najszybciej rozwijających się firm

w Polsce. Zatrudnia ponad 300 osób, głównie z wyż-

szym wykształceniem, specjalistów w różnych bran-

żach, w tym informatyków, elektroników, metrologów,

mechaników i fizyków, którzy tworzą głównie złożone

systemy informatyczne oraz układy automatyki i stero-

wania. Największymi odbiorcami naszych produktów

są Telekomunikacja Polska, PKP, PGNiG. Łączny obrót

firmy w 2003 r. wyniósł 50 mln euro i stale się zwiększa.



Autorzy

mgr inż. Kazimierz Lepiarczyk

dr inż. Zbigniew Mantorski

mgr inż. Marek Nawara

PWPT WASKO Sp. z o.o.

e-mail: zeit@wasko.pl

PWPT WASKO Sp. z o.o.

44-100 Gliwice, ul. Berbeckiego 6

tel. +48 32 332 56 00, fax +48 32 332 55 05

e-mail: zeit@wasko.pl

12 /2004 45

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: