Loading

Elektroniczny system sterowania pojazdów trakcyjnych "KONTRAK"

"Trakcja i Wagony nr 7-8/1979"

doc. dr hab. inż. Przemysław Pazdro
mgr inż. Krzysztof Karwowski
Instytut Wysokich Napięć i Aparatów Elektrycznych Politechniki Gdańskiej
629.423.053:681.3.004.14


Rozwój techniki sterowania napędami pojazdów trakcyjnych zmierza w dwóch kierunkach:
- pełnej elektronizacji przez wprowadzenie układów półprzewodnikowych do obwodu głównego, przy organicznie związanej z tym elektronizacji obwodów sterowania,
- elektronizacji częściowej, jedynie w zakresie obwodów sterowania przy pozostawieniu klasycznej aparatury stykowej w obwodzie głównym.

Na wybór kierunku unowocześnienia taboru wpływa wiele czynników ekonomicznych, technicznych i eksploatacyjnych. W każdym jednak przypadku dąży się do uzyskania efektów w postaci wyższej jakości procesów sterowania (płynność i dokładność regulacji, szybkość działania zabezpieczeń itp.), zmniejszenia nakładu pracy na utrzymanie i konserwację urządzeń, zwiększenia niezawodności oraz w szczególności zwiększonych możliwości automatyzacji zapewniającej optymalne wykorzystanie napędu pojazdów.

W Zakładzie Aparatów Elektrycznych i Urządzeń Trakcyjnych Politechniki Gdańskiej opracowany został oryginalny układ elektronicznego sterowania pojazdów trakcyjnych wyposażonych w klasyczną aparaturę rozrządczą. Prezentowany w artykule układ, o umownej nazwie "KONTRAK", przejmuje funkcje nastawnika maszynisty w zakresie programowania operacji łączeniowych w obwodach rozrządu. Może on równocześnie stanowić człon pośredniczący pomiędzy odpowiednimi urządzeniami automatyki (np. automatycznym regulatorem jazdy lub systemem zdalnego sterowania) a istniejącymi w pojeździe obwodami sterowania aparaturą rozrządczą.

Opisywany układ może znaleźć zastosowanie, tak w budowanych pojazdach, jak i przy modernizacji pojazdów już eksploatowanych.

Struktura układów i współdziałanie podzespołów

Systemy sterowania pojazdów można podzielić ogólnie na dwie grupy. Pierwszą z nich stanowią systemy sterowania nadążnego, gdzie układy połączeń obwodu głównego (stany aparatów) uzależnione są od położenia kątowego (pozycji) dźwigni nastawnika maszynisty. Uzależnienie to jest w pełni jednoznaczne, gdyż określonym pozycjom kątowym wałka sterującego nastawnika odpowiada określony programem łączenia stan sygnałów na zaciskach wyjściowych nastawnika. System ten był dotychczas najbardziej rozpowszechniony, a w pojazdach trakcyjnych PKP stosowany jest powszechnie. Drugą grupę stanowią systemy impulsowe, w których układ połączeń obwodu głównego uzależniony jest od liczby i charakteru impulsów podawanych z nastawnika maszynisty lub z odpowiedniego regulatora. System ten rozwija się coraz szerzej w ostatnich latach ze względu na łatwość współpracy obwodów sterowania z urządzeniami automatyki. Stosowany jest np. na kolejach francuskich (lokomotywa CC 6500), a ostatnio na lokomotywach produkcji czechosłowackiej dla kolei ZSRR (CzS 200).

Łatwo zauważyć, że podział powyższy odpowiada podziałowi na analogową i dyskretną technikę sterowania. Wprowadzenie automatyki w systemie pierwszym, stosowanym w pojazdach trakcyjnych PKP jest utrudnione i wymaga stosowania układów pośredniczących. Jedną z możliwości rozwiązania tego zagadnienia jest zastosowanie serwomechanizmów do nastawnika maszynisty. Dotychczasowe próby takiego rozwiązania konstrukcyjnego nie dały pozytywnych rezultatów. Są to urządzenia złożone mechanicznie, wymagające dużej precyzji wykonania i starannej, a więc czasochłonnej konserwacji.

Inną możliwość stanowi układ elektroniczny programujący bezpośrednio stany połączeń aparatów w obwodzie głównym. Taką właśnie zasadę przyjęto w opracowanym układzie, przy jednoczesnym wprowadzeniu systemu impulsowego jako bardziej przydatnego z punktu widzenia automatyki. Schemat blokowy układu pokazany jest na rysunku 1. Dla pokazania możliwości współpracy z urządzeniami automatyki wybrano przykład z zastosowaniem regulatora prędkości jazdy. Sam regulator nie jest w niniejszym artykule bliżej omawiany.

Układ elektroniczny wprowadzony jest równolegle do istniejącego toru sterowania i powoduje podawanie na układ wykonawczy takich samych sygnałów, jakie podawane są z klasycznego nastawnika maszynisty. Po stwierdzeniu - w wyniku prób eksploatacyjnych - wystarczająco wysokiej pewności działania układu elektronicznego, możliwe będzie zlikwidowanie nastawników maszynisty w dotychczasowym rozwiązaniu i zastąpienie ich znacznie uproszczoną pod względem mechanicznym konstrukcją, dostosowaną do współpracy z układem elektronicznym.

Regulator prędkości przekazuje do układu sterowania sygnały nakazujące zwiększenie lub zmniejszenie siły pociągowej. Sygnały te mają postać ciągu impulsów prowadzonych dwoma kanałami: kanałem zwiększania i kanałem zmniejszania siły pociągowej. Każdemu impulsowi, tzw. dodającemu, musi odpowiadać przełączenie układu rozrządczego lokomotywy o jedną pozycję w górę, czyli przejście na najbliższą wyżej leżącą charakterystykę układu napędowego. Tak zwane impulsy odejmujące powodują kolejne przełączenie w kierunku niższych pozycji aż do ewentualnego całkowitego wyłączenia napędu. Możliwa jest również współpraca z hamulcem elektropneumatycznym.

Omawiany układ, jak już wspomniano, może również współpracować z odpowiednim nastawnikiem maszynisty dostosowanym do sterowania ręcznego. Nastawnik ten jest w takim przypadku aparatem pozwalającym na generację pojedynczych impulsów (dodających lub odejmujących). W najprostszym przypadku mogą to być po prostu dwa przyciski ze stykami bez-odskokowymi. Bardziej jednak odpowiednim rozwiązaniem jest nastawnik maszynisty w postaci urządzenia pozwalającego na generację pojedynczych impulsów oraz w miarę potrzeby ciągu impulsów o określonej częstotliwości dla szybkiego sprowadzenia układu rozrządczego na pozycję zerową lub też dla przeprowadzenia rozruchu automatycznego. Nastawnik musi w tym systemie mieć wskaźnik (powtarzacz) aktualnej pozycji układu rozrządczego. W zrealizowanym modelu dla sygnalizacji pozycji wykorzystano zestaw diod elektroluminescencyjnych sprzężonych z obwodami wyjściowymi układu elektronicznego.

Zasadniczym elementem układu, realizującym program łączenia, jest nastawnik elektroniczny odwzorowujący ścisłe dla każdej pozycji sygnały wyjściowe z klasycznego stykowego nastawnika maszynisty. Sygnały wyjściowe z nastawnika elektronicznego są jednak sygnałami niskonapięciowymi (5 V= lub 24V=). Wprowadzono zatem człon sprzęgający w postaci zespołu łączników tyrystorowych prądu stałego o zdolności łączenia 10 A przy 110 V prądu stałego. Łączniki tyrystorowe sterowane są sygnałami 5 V w logice dodatniej. Obwody sterowania łączników zapewniają pełną separację galwaniczną pomiędzy obwodami wejściowymi a obwodami o napięciu 110 V.


Rys. 1.
Układ sterowania elektronicznego pojazdu trakcyjnego

NM(a) - klasyczny nastawnik maszynisty,
NM(b) - uproszczony nastawnik maszynisty w systemie elektronicznym,
NM(c) - nastawnik regulatora prędkości jazdy,
SE - sterownik elektroniczny,
ŁT - zespół łączników tyrystorowych

Sterownik elektroniczny

Zadaniem sterownika jest odwzorowanie na drodze elektronicznej funkcji, jakie spełnia klasyczny nastawnik maszynisty. Sterownik, którego schemat blokowy pokazano na rysunku 2, składa się z następujących bloków funkcjonalnych:
- układu wejściowego o dwóch wejściach nazywanych dalej wejściem dodającym i wejściem odejmującym,
- układu logicznego pamięciowego (ULP),
- układu blokującego, odpowiednio pierwszą i ostatnią pozycję sterownika,
- układu zerującego ULP po włączeniu napięcia zasilającego,
- układu logicznego kombinacyjnego (ULK),
- układu dopasowującego poziomy napięć i układu sygnalizującego aktualną pozycję, w której znajduje się sterownik.

Zmiana pozycji pracy sterownika następuje przez wysłanie sygnału na we(+) lub we(-) z regulatora prędkości lub nastawnika. Jeżeli prędkość pojazdu jest mniejsza od prędkości zadanej, to na wejściu dodającym pojawi się impuls lub ciąg impulsów napięciowych w zależności od wielkości uchybu prędkości, powodując zmianę stanu pracy sterownika w kierunku wyższych pozycji. Dla prędkości wyższej od zadanej analogicznie pojawiają się sygnały na wejściu odejmującym, powodując przełączanie w kierunku niższych pozycji. Regulator prędkości jest tak zbudowany, że wyklucza równoczesne pojawienie się sygnałów na we(+) i we( - ). Sygnały z regulatora po przejściu przez układ wejściowy podawane są na ULP, który jest układem pamiętającym poprzedni stan pracy. Układ ten wymaga, aby w chwili załączenia napięcia zasilania był wyzerowany, tzn., aby w jego pamięci było zapisane logiczne zero.

Jako układ pamiętający zastosowano 2n-bitowy, szeregowy licznik rewersyjny, wyzwalany ujemnym zboczem impulsu, gdzie n jest ilością przerzutników wchodzących w skład licznika [1, 2, 3]. Ilość przerzutników związana jest z ilością stanów pracy P sterownika elektronicznego relacją:

2n> lub = P

gdzie: n jest najmniejszą liczbą spełniającą tę relację.

Licznik tej konfiguracji wystarcza do większości praktycznych zastosowań tego typu. Po dojściu do górnego stanu pracy sterownika, czyli do ostatniej pozycji układu rozrządczego, następuje działanie układu blokady. Układ ten wysyła sygnał napięcia do układu wejściowego, tak że sygnały we(+) nie dochodzą do ULP, a zatem nie zmieniają jego stanu. Odblokowanie ostatniego stanu pracy następuje w chwili podania impulsu na we(-). Analogicznie układ blokady działa na pozycji zerowej, gdzie tylko impuls podany na we(+) może zmienić stan licznika. Jak widać z powyższej analizy, działanie ULP wraz z układem wejściowym i blokadą jest odmienne niż zwykłego licznika rewersyjnego, który po dojściu do stanu górnego przechodzi automatycznie do stanu początkowego i liczy od nowa.

Sygnały wyjściowe z ULP podawane są w kodzie binarnym, który przez ULK trzeba dopasować do wymagań zadanej relacji nastawnika. Układ logiczny kombinacyjny został zminimalizowany pod względem liczby funktorów. Minimalizację przeprowadzono na dwóch poziomach. Na poziomie pierwszym zminimalizowano metodą tablic Karnaugha każde z wyjść sterownika. Na drugim poziomie zredukowano liczbę funktorów rozpatrując wszystkie wyjścia.

Wszystkie wyjścia sterownika zaopatrzone zostały w układy sygnalizacyjne w postaci diod świecących, co pozwala na kontrolę aktualnego stanu sygnałów wyjściowych, a tym samym na określenie pozycji nastawnika.

Cały układ elektroniczny zbudowany został przy wykorzystaniu funktorów logicznych "Logister" szeregu E100H i EP. Funktory te pracują przy sygnałach 24 V. Dla umożliwienia współpracy z elementami TTL stosowanymi w obwodach wejściowych łączników tyrystorowych na wszystkich wyjściach sterownika zastosowano elementy dopasowujące HLL/TTL (24V/5V).


Rys. 2.
Schemat blokowy sterownika elektronicznego

ULP - układ logiczny pamięciowy,
ULK - układ logiczny kombinacyjny,
Uz - napięcia zasilające

 

Badania i próby

Całość opisywanego układu została zrealizowana w postaci modelu użytkowego pozwalającego na przeprowadzenie pełnego cyklu badań laboratoryjnych oraz prób ruchowych. Model użytkowy pokazany na rysunku 3, oparty został o konstrukcję mechaniczną systemu "CAMAC". Oprócz podstawowych podzespołów układu, wykonano statyczny podzespół zasilający pozwalający na uzyskanie niezbędnych dla obwodów elektronicznych napięć stabilizowanych przy korzystaniu z napięcia sterowania 110V prądu stałego.

Układ przeszedł z pomyślnym wynikiem pełny cykl prób i badań laboratoryjnych łącznie z badaniami klimatycznymi (-30°C do +50°C) oraz badaniami na wstrząsy i drgania. Model użytkowy wykonano z programem łączenia, dostosowanym do sterowania lokomotywy spalinowo-elektrycznej serii SU46 i na tej lokomotywie przeprowadzono próby ruchowe, które potwierdziły sprawność działania układu. W szczególności stwierdzono odporność na zakłócenia generowane przez obwody silnoprądowe lokomotywy oraz poprawność współdziałania z regulatorem prędkości jazdy. Staranne wykonanie, duże współczynniki bezpieczeństwa przy projektowaniu oraz ostra selekcja elementów konstrukcyjnych stwarzają duże prawdopodobieństwo niezawodności działania. Jest jednak rzeczą oczywistą, że pełną informację o niezawodności mogą dać dopiero próby eksploatacyjne.

Przedstawiona koncepcja oraz rozwiązanie nowego systemu sterowania pojazdów trakcyjnych stanowi próbę unowocześnienia tej dziedziny techniki w przedsiębiorstwie PKP. Zastosowanie systemu "KONTRAK" pozwoliłoby na:
- łatwiejsze wprowadzanie różnego rodzaju układów automatyki do pojazdów szynowych, poczynając od sprawniejszych zabezpieczeń aż po zdalne sterowanie,
- unifikację funkcjonalną sterowania różnych pojazdów trakcyjnych przez stosunkowo proste zmiany w układzie programującym sterownika elektronicznego,
- unifikację konstrukcji urządzeń sterowania przez oparcie układów o jeden system kasetowy,
- ograniczenie do minimum liczby łączników stykowych w obwodach sterowania,
- likwidację złożonych mechanicznie klasycznych nastawników maszynisty.

Warto zwrócić uwagę, że również w pojazdach wyposażonych w elektroniczne układy w obwodzie głównym (np. impulsowe) występuje zawsze pewna liczba łączników stykowych. Uniwersalność omawianego rozwiązania można zatem rozszerzyć również na te pojazdy, gdzie mogłoby znaleźć zastosowanie do programowania operacji łączeniowych.


Rys. 3.
Widok konstrukcji elektronicznego układu sterowania

ST - łączniki tyrystorowe;
Z - zasilacz;
OP, PV R - podzespoły regulatora prędkości jazdy;
N - nastawnik elektroniczny

Bibliografia:

[1] Pieńkos J., Turczyński J.: Przetwarzanie i przechowywanie informacji w systemie automatyki. WNT Warszawa 1974
[2] Pieńkos J., Turczyński J.: Układy scalone TTL serii UCY74. WKiŁ Warszawa 1975
[3] Mikroelektroniczne elementy i układy cyfrowe Logister. Praca zbiorowa. WKiŁ Warszawa 1975