Имитационная модель электровоза для отладки микропроцессорных систем управления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Корзина, Инна Валерьевна

• Корзина, Инна Валерьевна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Корзина, Инна Валерьевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ.

1.1. Анализ микропроцессорных систем управления электровозов и способов отладки их программного обеспечения.

1.2. Анализ электрической схемы электровозов ЧС 2 и способа модернизации этого электровоза при капитальном ремонте с продлением срока службы.

1.3. Постановка цели и задач работы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ИНТЕРФЕЙСА СВЯЗИ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ С МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛЬЮ ЭЛЕКТРОВОЗА.

2.1. Выбор технических устройств для создания интерфейса.

2.2. Разработка программного обеспечения интерфейса.

2.3. Опытная проверка интерфейса

2.4. Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОВОЗА ПОСТОЯННОГО ТОКА.

3.1. Математическая модель электрической части электровоза постоянного тока.

3.2. Математическая модель механической части электровоза.

3.3. Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА И РАЗРАБОТКА ПРЕДОЛЖЕНИЙ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ СИЛОВОЙ

СХЕМЫ ЭЛЕКТРОВОЗА ЧС2К.

4.1 .Анализ результатов расчета

4.2 Разработка предложений по совершенствованию пускового реостата.

4.3. Результаты расчета электромеханических процессов при срыве сцепления.

4.4. Разработка методики отладки алгоритма программного обеспечения МПСУ.

4.5. Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Имитационная модель электровоза для отладки микропроцессорных систем управления»

Железные дороги являются основными транспортными артериями нашей страны, обеспечивающим надежное функционирование народного хозяйства и жизнеобеспечения населения. Ими выполняется более половины общего грузооборота и треть пассажирских перевозок в стране [1, 2, 3].

В условиях дефицита финансовых средств Российское Агентство Железнодорожного Транспорта разработало и осуществляет специальную программу повышения эффективности работы железнодорожного транспорта, одной из главных мер которой является снижение эксплуатационных расходов железных дорог, оснащение их более мощными и надежными локомотивами.

В частности, для достижения поставленной цели практически весь современный подвижной состав начинают оснащать микропроцессорными системами управления (МПСУ). В этих системах применяют элементы высокой степени интеграции. Поэтому в состав МПСУ входит небольшое число элементов, благодаря чему снижается не только потребляемая мощность всей системы, но и повышается уровень надежности, что приводит к уменьшению затрат на обслуживание и ремонты [57].

В последнее время с целью обновления локомотивного парка железных дорог для локомотивов, выработавших ресурс, выполняют капитальный ремонт с продлением срока службы (КРП). КРП позволяет значительно снизить затраты на обновление парка, которые были бы максимальными в случае покупки новых локомотивов. Наряду со сменой электрического и механического оборудования при КРП устанавливают МПСУ с новыми алгоритмами и программами управления. Однако, в нашей стране практикуется только два способов отладки этих алгоритмов и программ: либо на стендах большой мощности с силовыми элементами электровоза и тяговыми двигателями, либо непосредственно на электровозе. И в том и другом случае программные ошибки систем управления могут привести к порче дорогостоящего электрического оборудования и как следствие к значительным материальным затратам.

Таким образом, задача создания способа проверки алгоритмов и программ микропроцессорных систем управления, который бы позволял в полной мере оценивать работу локомотива с новой микропроцессорной системой управления, его скоростные и тяговые характеристики и вместе с тем исключал бы возможные ошибки в программах является актуальной.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Разработка комплекса для отладки алгоритмов и программ микропроцессорных систем управления подвижного состава, включающего в себя имитационную модель электровоза и набор периферийных устройств, обеспечивающих стыковку модели с системой управления.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи: разработан интерфейс связи микропроцессорной системы управления с математической моделью электровоза; разработана математическая модель электрической и механической части электровоза постоянного тока ЧС2К в программном пакете "LabVIEW"; разработана методика отладки алгоритма программного обеспечения МПСУ электровоза ЧС2К.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Для моделирования электромагнитных процессов в тяговом электроприводе электровозе постоянного тока ЧС2К использовался программный пакет Lab VIEW.

При стыковке модели электровоза и микропроцессорной системы управления использовались платы цифроаналогового преобразователя и цифрового ввода-вывода фирмы National Instruments.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

- разработана модель электровоза постоянного тока в программном пакете Lab VIEW, учитывающая совместно процессы, протекающие в электрической части, вертикальные колебания рамы тележки а также вертикальные и крутильные колебания колесно-моторного блока;

- разработана методика стыковки микропроцессорных систем управления с отладочной моделью;

- на основе анализа электромагнитных процессов, полученных в результате моделирования электрических цепей электровоза ЧС2К, разработана схема нового пускового реостата этого электровоза.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

Проведенные исследования позволили: разработать комплекс для отладки алгоритмов и программ систем управления электроподвижного состава; определить ступени нового пускового реостата электровоза ЧС2К и таблицу замыкания контакторов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные результаты работы докладывались и одобрены: на научно-технической конференции «Наука - транспорт -2005» («Неделя науки - 2005») МИИТа; международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabView и технологии National Instruments» ESEa-NI-05 МОСКВА, РОССИЯ, НОЯБРЬ -18-19, 2005.

ПУБЛИКАЦИИ

Опубликовано 5 печатных работ, из них 4 по теме диссертации.

1. А. Н. Савоськин, М. С. Антонюк, И. В. Корзина. «Исследования времен срабатывания электропневматических контакторов электровоза постоянного тока ЧС2К». «Вестник МИИТа» №14, 2006 г.

2. А. Н. Савоськин, М. С. Антонюк, И. В. Корзина «Разработка интерфейса связи микропроцессорной системы управления с математической моделью электровоза». Труды научно-практической конференции Неделя науки -2005 «Наука-транспорту».-М:МИИТ, 2005.

3. А. Н. Савоськин, О. Е. Пудовиков, И. В. Корзина. «Имитационная модель электровоза для отладки алгоритмов и программ микропроцессорных систем управления». Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: Тезисы LXVI Международной научно-практической конферен-ции.-Д.:ДИИТ, 2006.-442с.

4. А. Н. Савоськин, О. Е. Пудовиков, И. В. Корзина. «Имитационная модель для систем управления электровозами» «Мир транспорта» №2, 2005 г., с 78-85.

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Корзина, Инна Валерьевна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ

1. Для ввода и вывода сигналов из имитационной модели целесообразно использовать цифроаналоговый преобразователь и плату цифрового ввода-вывода фирмы National Instruments, отличающиеся невысокой стоимостью, большим количеством каналов и небольшими габаритами.

2. В качестве программного обеспечения для разработки модели электровоза и вывода сигналов следует применять программный пакет LabVIEW фирмы National Instruments позволяющий быстро конфигурировать каналы ввода-вывода.

3. Для отладки алгоритмов и программ микропроцессорных систем управления необходимо в состав модели электровоза включить уравнения, описывающие электромагнитные процессы в силовой цепи, вертикальные колебания тележки, крутильные колебания колесно-моторного блока, а также уравнение движения поезда.

4. Моделирование процессов при разгоне и трогании электровоза ЧС2К показало, что имеется неравномерность бросков тока при реостатном пуске, что свидетельствует о необходимости в разработке нового пускового реостата.

5. Предложенная компоновка и таблица замыканий контакторов нового реостата электровоза ЧС2К целесообразна для применения на электровозе ЧС2К, так как при этом обеспечивается практически одинаковые величины бросков тока при трогании и разгоне.

6. При моделировании срыва сцепления под одним колесом первой колесной пары путем снижения коэффициента сцепления на сорок процентов срыв сцепления наступает через 0,44 с, а при моделировании срыва сцепления под обоими колесами первой колесной пары срыв сцепления наступал быстрее, через 0,28 с, поэтому система защиты должна срабатывать не позднее, чем через 0,25 с после начала боксования.

7. Существующая система защиты электровоза ЧС2К от боксования не эффективна, так как она срабатывает позже чем начинается процесс боксования.

8. Отработка алгоритмов и программ для микропроцессорной системы управления, разработанной в Отраслевом центре внедрения, с использованием предложенной имитационной модели показала высокую эффективность такого способа

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Корзина, Инна Валерьевна, 2006 год

1. Архангельский Ю.Н. Локомотивостроение в новых условиях хозяйственной деятельности предприятий России//Междунар. конф. "Состояние и перспективы развития локомотивостроения", Новочеркасск, 7-9 июня 1994 г.: Тезисы докл. Новочеркасск, 1994, с. 1-2.

2. Титов В.В. Перспективы развития железных дорог Российской Федерации. Анализ эксплуатации и основные требования к электроподвижному составу .//Сб. науч. тр. Всес. н.-и. проектн.-конструкт. и технол. ин.-та электровозостроения. 1995, № 35, с. 8-15.

3. Щербаков В.Г. Разработка новых электровозов и электропоездов.//Сб. науч. тр. Всес. н.-и. проектн.-конструкт. и технол. ин.-та электровозостроения. 1995, № 35, с. 3-8.

4. Дресслер Н. И. MICAS микро-ЭВМ для подвижного состава//Железные дороги мира, 1983, N4, с. 4-19.

5. X. Кристиансен, А. Ланг Вторая партия электровозов серии Е1-17 с трехфазным тяговым приводом // Железные дороги мира, 1989, N1, с. 25-32.

6. Bavard J. Avril Е. Modular control with microcontroller and high speed serial network for asynchronous drives. Electrishe Bahnen, 1990, N3, p. 140-144.

7. Ford R. Class 91-the ultimate DC drive locomotive. -Railway Technology International, 1990, p. 81-88.

8. Gedeon G. The Sibas 16 micro-computer control system. - Electrishe Bahnen, 1988, N7, p. 229-235.

9. Roth G. Microprocessor based control for diesel locomotive with three -phause drive. - Electrishe Bahnen, 1987, N6, p. 197-202.

10. Новые электровозы большой мощности фирмы AEG// Железные дороги мира,-1994, N10, с. 32-38.

11. Я. Лундгрени др. Высокоскростной поезд Х2// Железные дороги мира, -1991, N4, с. 8-14.

12. Gathman H., Harprecht W. and Weigel W. D. Recent Developments in AC Drivers for Traction. EPE - Proceedinds, 1987, Surveu Paper, p. 5-19.

13. Microprocessor based control system for locomotives of new generation. -Railway Age, 1989, N3, p. 35,39.

14. Микуляк С. П., Напрасник М. В., Плис В. И. Микропроцессорный контроллер тягового привода магистрального электровоза // Изв. Вузов. Электромеханика. -1986, N 5, с. 36-68.

15. Вольвич А. Г., Напрасник М. В., Беляев А. В. Базовый набор микропро-цессоных средств для использования в системах управления магистральных элетровозов // Сб. научн. Тр. Всерос. Н. И проект, -контср. Ин-т элек-тровозостр., 1985, Т.25, с. 4-58.

16. Лебедев А. В., Микуляк С. П., Плис В. И. Способ повышения быстродействия микропроцессорного контроллера тягового привода// Сб. научн. тр. всерос. в. -и. и проект, -контсрукт. Ин-т электровозстр., Новочеркасск, 1985, Т.26, с.39-44.

17. Лебедев А. В., Плис В. И. Отладка микропроцессорных систем на базе БИС серии 588// Сб. научн. Тр. Всерос. н. -и. и проект, -контсрукт. ин-т. электровозостр., Новочеркасск, 1986, Т.27, с. 104-110.

18. Коваль В. Е., Плис В. И. Регулирование инвертора электровоза однофазно-постоянного тока с использованием энергетических критериев// Сб. научн. тр. Всерос. н. -и. и проект, -констр. ин-т электровозостр., Новочеркасск, 1993, Т.ЗЗ, с.23-30.

19. А. С. 1470578 СССР, МКИ В60 3/10 Устройство для обнаружения юза и боксования колеса транспортного средства // Вольвич А. Г., Напрасник М.

20. В., Микуляк С. П., Беляев А. В., Плис В. И. №4219581/27-11. Заявл. 01.04.87, БИ.№1, 1989.

21. А. С. 951591 СССР, МКИ Н02М 1/08 Н02Р13/13 Дискретное фазосдви-гающее устройство // Вольвич А. Г., Напрасник М. В., Левченко В. И., Беляев А. В., Плис В. И. №3235888/24-07. Заявл. 13.01.81, БИ. №30, 1982.

22. Вольвич А. Г., Напрасник М. В., Крамсков С. А. Опыт применения микропроцессорных систем управлени на электровозе ВЛ85// Сб. научн. тр. Всерос. н. -и. и проект, -констр. ин-т электровозостр., Новочеркасск, 1989, Т.ЗО, с.148,154.

23. Плис В. И. Микропроцесорный контроллер реостатного тормоза магистрального элеткровоза// Сб. научн. тр. Всерос. н. -и. и проект, -констр. ин-т электровозостр., Новочеркасск, 1990, Т.31, с.98-103.

24. Беляев А. В., Ромашка В. В. Микропроцессорная система управления тяговым приводом электровоза постоянного тока с импулсным регулированием// Сб. научн. тр. Всерос. н. -и. и проект, -констр. ин-т электровозостр., Новочеркасск, 1990, Т.31, с.80-88.

25. Плис В. И. Источник питания микропроцессорной системы управления электровозом//Изв. вузов Электромеханика, 1989, №5, с. 51-56.

26. Крамсков С. А., Плис В. И., Федорова Н. Ю. Результаты испытаний микропроцессорной системы управления (МПСУ) на электровозеВЛ85 061// Сб. научн. тр. Всерос. н. -и. и проект, -констр. ин-т электровозостр., Новочеркасск, 1991, Т.32, с.108-115.

27. Протокол испытаний обработка алгоритмов и информационного обеспечения микропроцессорной системы управления по договору № 3138/91, п. 14 (34Д), -М. ВНИИЖТМПС, 25.12.91г., 45с.

28. Микропроцессорная система управления и диагностики. Журнал «Локомотив» 1999 №8, 17-19 стр.

29. Пассажирский электровоз ЧС2. В. А. Раков. Изд-во "Транспорт", 1967.

30. Модернизация электровоза ЧС2 с изменением схемы»: руководство по эксплуатации; 2003 г., Департамент локомотивного хозяйства, ПКБ ЦТ.

31. The measurement and Automat on catalog 2002. 2001 National Instruments Corporation.

32. Measurements Manual, July 2000 Edition/ Copyright 1992, 2000 National Instruments Corporation.

33. LabVIEW для всех. Джеффри Тревис . Пер. с англ. Клушин Н.А. М.: ДМК Пресс; ПриборКомплект, 2004. - 544 е.: ил.

34. LabVIEW7 Express User Manual, April 2003 Edition, COPYRIGHT 19922003 National Instruments Corporation.

35. Алексеев А. С. Исследование влияния нелинейности кривой намагничивания тягового электродвигателя на переходные процессы в силовой цепи электровоза. Труды МИИТ, вып. 912 М.: МИИТ, 1997. 104 с.

36. Жиц М. 3. Переходные процессы в машинах постоянного тока. М.: Энергия, 1974.- 118с.

37. Механическая часть тягового подвижного состава: Учебник для вузов ж. -д. трансп./Бирюков И. В., Савоськин А. Н., Бурчак Г. П. И др.; Под ред. Бирюкова И. В. М.: Транспорт, 1992-440 с.

38. Бирюков И. В., Беляев А. И., Рыбников Е. К. Тяговые передачи электроподвижного состава железных дорог. М.: Транспорт, 1986 - 256 стр.

39. Голубенко А. Л. Сцепления колес с рельсом. Киев.: «В1ПОЛ», 1993, 448 с.

40. Правила тяговых расчетов для поездной работы. М.: Транспорт, 1985, 286 с.

41. Гитис Э. И., Пискунов Е. А. Аналогово-цифровые преобразователи: Учеб. Пособие для вузов. -М.: Энергоиздат, 1981. -360с.; ил.

42. Шляндин В. М. Цифровые измерительные устройства. Учебник для вузов. -2-е изд. перераб. И доп. -М.:Высш. Школа, 1981. -335 стр.

43. Аналого-цифровые преобразователи устройств автоматики и телемеханики электрифицированных железных дорог//Баранов П. А., Бакеев Е. Е., М., Транспорт, 1979, 207 с.

44. Федорков Б. Г., Телец В. А. Микросхемы ЦАП и АЦП: Функционирование, параметры, измерения. -М.: Энергоатомиздат, 1990. -320с.

45. А. Рабинер, Б. Гоулд Теория и применение цифровой обработки сигна-лов//М.; Мир, 1978, 848с.

46. Крамсков С. А., Плис В. И. Обработка аналоговых сигналов датчиков электровоза микропроцессорным контроллером// Сб. научн. тр. Всерос. н. -и. и проект, -констр. ин-т электровозостр., Новочеркасск, 1991, Т.31, с. 116-122.

47. Орнатский П. П. Автоматическое измерение и приборы: Учебник для вузов. 2-е изд. перераб. И доп. -М.: Высш. Школа, 1981. -335 стр.

48. Тихменев Б. Н., Трахтман Л. М. Подвижной состав электрофицирован-ных железных дорог. Теория работы электрооборудования; Электрические схемы и аппараты. Учебник для вузов. Ж. -д. трансп.//4-е изд., перераб. И доп. -М.: Транспорт, 1980.

49. Розенфельд В. Е., Исаев И. П., Сидоров Н. Н. Теория электрической тяги: Учебник для вузов ж. -д. трансп. -2-е изд., перераб. и доп.- М.:Транспорт, 1983 -328 стр.

50. Островский В. С., Савоськин А. Н., Сурков Д. А. Влияние крутильных колебаний в колесно-моторном блоке на процессы срыва сцепления колес локомотива с рельсами. Труды МИИТ, вып. 912. М.:МИИТ, 1997. -104стр.

51. Калинин В. К. Электровозы и электропоезда. -М.: Транспорт 1991. -480 с.

52. Проектирование тяговых электрических машин. Находкин М. Д., Василенко Г. В., Бочаров В. И., Козорезов М. А. Под ред. М. Д. Находкина.

53. Учебное пособие для вузов ж. -д. трансп. -2-е изд., перераб. и доп. -М.транспорт, 1976 -624 стр.

54. Курбасов А. С., Седов В. И., Сорин JI. Н. Проектирование тяговых электродвигателей: Учебноепособие для вузов ж. -д. трансп./ Под ред. А. С. Курбасова- М.: Транспорт, 1987 536стр.

55. Engineering Simulation: Tools and application using IBM PC family M. Shah, 1988 (Шах M. Имитационное моделирование: Методы и применение с помощью персональных компьютеров. IBM. Пер. с англ. -М.: Машиностроение, 1991 )

56. Никитенко А. Г., Плохов Е. М., А. А. Зарифьян, Хоменко Б. И., Математическое моделирование динамики электровозов. М.: Высшая школа, 1998.-с. 275.

57. Вольвич А. Г., Малютин В. А. Развитие электронных средств управления магистральных электровозов//Сб. научн. тр. Всерос. н. -и. и проект. -констр. ин-т электровозостр., Новочеркасск, 1991, Т.31, с. 116-122.

58. А. С. 1511825 СССР, МКИН02М 1/08 Н02Р13/13 Дискретное фазосдви-гающее устройство // Гордеев С. Р., Напрасник М. В., Левченко В. И., Беляев А. В., Плис В. И. №4091214/24-07. Заявл. 28.07.86, БИ. №36, 1989.

59. Справочник по электроподвижному составу, тепловозам и дизель-поездам. Под ред. А. И. Тищенко. Т. 1. М., «Транспорт», 1976 г., 432, с.

60. Проектирование систем управления подвижным составом электрических железных дорог. Ротанов Н. А., Захарченко Е. В., Е. В. Горчаков, А. В. Плакс, Милютин С. В., Некрасов В. И. Под ред. Захарченко Д. Д. М., «Транспорт», 1964 г., 352, с.

61. Автоматизация подвижного состава: Учебник для вузов ж. -д. транспорта/ А. Н. Савоськин, П. А. Баранов, А. В. Плакс, В. П. Феоктистов; Под ред. А. Н. Савоськина. М.:Транспорт, 1990. -311 с.

62. Деев В. В., Ильин Г. А., Афонин Г. С. Тяга поездов: Учебное пособие для вузов/ Под ред. В. В. Деева.-М.Транспорт, 1987,264с.

63. Ефремов И. С., Карибов С. И. Об автоколебаниях в тяговом электроприводе локомотива при боксовании. «Электричество», 1987, №9, с. 42-47.

64. Павленко А. П. Динамические процессы в опорно-рамном приводе грузовых локомотивов при боксовании. Вестник ВНИИЖТ; 1984, №8, с. 27-31.

65. Раков В. А. Локомотивы и моторвагонный подвижной состав. М.: Транспорт, 1979.213 с.

66. Калинин В. К., Михайлов Н. М.З Хлебников В. Н. Электроподвижной состав железных дорог. М.: Транспорт, 1972. 536 с.

67. Разработка новых электровозов и электропоездов. // Сб. научн. тр. Всерос. н. -и. и проект, -констр. ин-т электровозостр., Новочеркасск, 1995, №35, с.3-8.

68. Имитационное моделирование в среде Windows. Санкт-Петербург: КОРОНА принт, 1999. 287 стр.

69. Основы электрического транспорта. Учебник Тулупов В. Д., Слепцов М.А., Долаберидзе Г.П. Дрокопович А.В., Савина Т.И. Изд-во «Академия», 2006, 464 с.