Мехатронная система обеспечения заданной скорости электровоза на различных участках пути (стр. 1 из 9)
Кафедра «РОБОТОТЕХНИКИ И МЕХАТРОНИКИ»
на тему: «Мехатронная система обеспечения заданной скорости электровоза на различных участках пути»
Москва, 2008
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. Обзор существующих систем управления электровозом
1.1 Блок автоматического управления
1.2 Микропроцессорная система управления и диагностики (МСУД) электровозом ЭП1
2 Объект модернизации
2.1 Преобразователь выпрямительно-инверторный ВИП-5600
2.2 Выпрямительная установка возбуждения ВУВ-118
2.3 Шунтирующие устройства ШУ-001, ШУ-003
2.4 Описание микропроцессорной системы управления и диагностики электровоза (МСУД)
2.5 Ячейки шкафа МСУД
2.6 БлокБИ1.2(БИ1.4)
2.7 Программное обеспечение
2.8 Использование аппаратуры по назначению, техническое обслуживание и текущий ремонт
3 Выбор микроконтроллера
3.1 Общая характеристика
3.2 Четырехступенчатый конвейер команд
3.3 Конфигурирование внешней шины
3.4 Система прерываний
3.5 Генерация системного такта
3.6 Периферия микроконтроллера 80С166
3.7 Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВВЕДЕНИЕ
Мехатронная система – это неразделимая совокупность механических, электромеханических и электронных узлов, в которых осуществляется преобразование и обмен энергии, информации. В современных мехатронных системах преобразование движения одного или нескольких тел в требуемые движения других тел осуществляется системой тел (деталей), называемых механизмов. Механизмы входят в состав машин – технических систем и предназначены для осуществления механических движений по преобразованию потоков энергии, силовых взаимодействий, необходимых для выполнения различных рабочих процессов. Часто силовой основой МС является электропривод постоянного и переменного тока, формирующих управляемую электромеханическую систему широкого назначения. Для ЭМС управления характерна тесная взаимосвязь электромеханической части с энергетическим каналом питания и каналом управления, что обуславливает ожидаемые характеристики проектируемого устройства часто в равной степени всеми функциональными звеньями. Управляемые комплексы с электрическим приводом (система, состоящая из двигателя и связанных с ним устройств, приведения в движение одного или нескольких исполнительных механизмов, входящих в состав МС) получили название электромеханических систем (ЭМС).
Создание нового образца МС обычно сопровождается использованием в разнообразных вариантах гибких технологических решений. Разновидностью этого принципа является модульный подход. Модули могут легко соединяться, образуя сложные технические системы, разъединяться, заменяться с целью формирования ТС с другими компонентами и техническими характеристиками при необходимости модернизации и ремонта. В общем случае модуль характеризуется конструктивной и технологической завершенностью, обладает строго фиксированными параметрами (функциональными характеристиками, геометрическими размерами).
1 Обзор существующих систем управления электровозом
Под прямым цифровым управлением понимается не только непосредственное управление от микроконтроллера каждым ключом силового преобразователя (инвертора и управляемого выпрямителя), но и обеспечение возможности прямого ввода в микроконтроллер сигналов различных обратных связей (независимо от типа сигнала: дискретный, аналоговый или импульсный) с последующей программно-аппаратной обработкой внутри микроконтроллера.
Таким образом, система прямого цифрового управления ориентирована на отказ от значительного числа дополнительных интерфейсных плат и создание одноплатных контроллеров управления приводами, в том числе тяговыми электродвигателями.
Из этого становится ясно, что все существующие системы управления тяговом подвижном составе морально устарели и не обеспечивают современных требований. Необходимо переходить на специализированные одноплатные микроконтроллеры, содержащие в себе все функции обработки сигналов и выдачи управляющих воздействий.
В настоящее время во всем мире происходит обновление и модернизация подвижного состава с использованием цифровых технологий. «Цифра» на сегодняшний день является более экономичным, надежным и перспективным решением нежели обработка, и преобразование аналогового сигнала.
Разработана микропроцессорная аппаратура, предназначенная для управления электроприводом с коллекторным тяговым двигателем, которая успешно применяется в электровозах ЭП1. Она хорошо себя зарекомендовала. По данным Хабаровского и Красноярского локомотивных депо, куда поступили первые электровозы ЭП1, за первые полгода эксплуатации не было ни единой остановки в пути следования по вине микропроцессорной аппаратуры. По данным того же Красноярского локомотивного депо режим рекуперации на ЭП1 дает до 30% экономии электроэнергии. Эффект применения новых технологий виден уже через полгода эксплуатации:
- Аппаратура не требует подстроек – снижение простоев и эксплуатационных расходов;
- Устойчивая рекуперация во всех режимах – экономия электроэнергии
- и сокращение износа тормозных колодок.
- Возможность диагностирования оборудования – быстрый поиск
- неисправностей. Недостатками системы являлись:
- Громоздкость. Вид такой системы представлен на рисунке 1.1.
- Высокая стоимость. В производстве такой системы использовались
- платы фирмы Octagon Systems
- Сложность ремонта из-за большого количества плат.
1.1 Блок автоматического управления
Блок автоматического управления выпрямительно-инверторными преобразователями электровозов переменного тока (БАУВИП) предназначен для управления тяговым электроприводом электровозов как в «ручном», так и в автоматическом режимах. Внешний вид блока автоматического управления представлен на рисунке 1.1
Рисунок 1.1 – Блок автоматического управления
При модернизации с электровозов снимаются блоки БУВИП-113, 133 и БАУ-002 с истекшим сроком службы (15 лет) и ставится один блок БАУВИП на каждую секцию, выполняющий те же функции. Он имеет существенно меньшие габариты, меньшее количество элементов и большую надежность, оснащен встроенными элементами диагностирования. БАУВИП от серийной МСУД отличается меньшим количеством элементов, отсутствием дисплейных модулей, за счет чего имеет существенно меньшую стоимость.
Факторы, образующие экономический эффект:
- повышение стабильности и точности по фазе импульсов управления – экономия расхода электроэнергии на тягу и увеличение возврата электроэнергии в контактную сеть;
- снижение затрат на обслуживание; снижение расходов на ремонт.
Состав блока автоматического управления:
- Блок микропроцессорного контроллера БМК-036
- Блок входных сигналов БВС-002
- Блок формирователей БФ-043
- Блок ввода-вывода БВВ-041
- Блок аналого-цифрового преобразователя БАЦП-037
- Два блока выходных усилителей БВУ-005
- Блок питания БП-042
- Блок теплового контроля БТК-004
- Панель питания ПП-474
1.1.1 Описание съемных блоков системы управления
Съемный блок микропроцессорного контроллера БМК-036 предназначен для:
- программного расчета и выдачи импульсов управления тиристорами выпрямительно-инверторным преобразователем и выпрямителем управляемым возбуждения в соответствии с алгоритмом управления;
-
- выдачи сигналов управления устройствами.
Съемный блок формирователей БФ-043 предназначен для согласования уровней входных сигналов управления и информационных сигналов, подаваемых от электровозного оборудования, с уровнями сигналов, которые допускается подавать в съемный блок микроконтроллера БМК-036.
Съемный блок входных сигналов БВС-002 предназначен для синхронизации работы элементов МПСУ и системы фазового управления ВИПа и ВУВов с напряжением контактной сети.
Съемный блок импульсных выходных усилителей БВУ-005 предназначен для усиления импульсных сигналов управления тиристорами силовой выпрямительной установки, выдаваемых блоком микроконтроллера.
Блок теплового контроля БТК-004 предназначен для управления подогревом блока.
Блок питания БП-042 предназначен для формирования из бортовой сети питания постоянного напряжения +50 В электровоза стабилизированных напряжений, необходимых для питания аппаратуры.
Панель питания ПП-474 предназначена для выполнения привязки модернизированного блока управления выпрямительно-инверторными преобразователями (БАУВИП) к цепям питания и управления электровоза.
1.1.2 Основные технические характеристики
| Номинальное напряжение питания переменного тока, В | 220 |
| Пределы изменения напряжения, В | 198-242 |
| Частота напряжения питания, Гц | 50 |
| Потребляемая мощность: | |
| -для цепей контроля и управления, Вт | не более 50 |
| -для подогрева при температуре окружающего воздуха, ниже – 40°С, Вт | не более 150 |
| Режим работы | продолжительный |
| Охлаждение | естественное |
| Масса: | |
| Блок в сборе, кг | 32 |
1.2 Микропроцессорная система управления и диагностики (МСУД) электровозом ЭП1
Микропроцессорной системы управления и диагностики (МСУД) выполняет автоматическое управление электроприводом и электрическими аппаратами серийного электровоза ЭП1 в режимах тяги и торможения. При этом аппаратура МСУД обеспечивает: разгон электровоза до заданной скорости с заданной и автоматически поддерживаемой величиной тока якоря тяговых электродвигателей и последующее автоматическое поддержание заданной скорости, рекуперативное торможение до заданной скорости с последующим автоматическим поддержанием заданной скорости на спусках, автоматическое плавное торможение с учетом тормозных характеристик до полной остановки электровоза, защиту от буксования и юза колесных пар, автоматическую непрерывную диагностику состояния электрооборудования электровоза, стыковку микропроцессорных контроллеров с блоками АСУ безопасности, подключение микропроцессорных контроллеров к IBM PC совместимым персональным компьютерам для отладки рабочих программ и моделирования процесса управления. Требования к организации обмена, составу, кодированию информации и характеристикам электрических сигналов в магистральном канале соответствуют стандарту RS-485 (многоабонентской «токовой петле») Аппаратура микропроцессорной системы управления и диагностики электрооборудования электровоза построена на программных принципах обработки информации с использованием микропроцессорных контроллеров MicroPC. Внешний вид шкафа представлен на рисунке 1.2