Горочные системы автоматизации технологических процессов

2. Автоматизированное рабочее место дежурного но горке -- АРМ дежурного по горке (АРМ ДСПГ); рабочие места горочных операторов тормозных позиций. АРМы горочных операторов устанавливаются на пультах из расчета по одному АРМу на пучок путей для отображения информации о маршруте, параметрах отцепов, режиме управления стрелками, диагностической информации об опасных отказах напольных и постовых устройств, появлении негабарита на стрелках, а также информации о текущем размещении отцепов на соответствующем пучке.

3.Контрольно-диагностический комплекс КДК ГАЦ МН, предназначенный для контроля и диагностики функционирования напольных и постовых устройств.

Контроллер вершины горки (КВГ) предназначен для приема программы роспуска из ГАЦ МН, контроля расцепа вагонов на вершине горки, управления горочным светофором, скоростью роспуска и указателем количества вагонов в отцепах, а также исправного состояния устройств зоны вершины горки. КВГ размещается в специальном помещении в зоне вершины горки и включает в себя промышленный компьютер, монитор с клавиатурой, терминальные платы с модулями дискретного ввода и вывода сигналов, модем связи с УВК ГАЦ МН, размещаемым на горочном посту.

В состав напольного оборудования ГАЦ МН входят устройства, размещаемые непосредственно вдоль маршрута движения вагонов. К ним относятся: горочные и маневровые светофоры, стрелочные приводы, датчики обнаружения вагонов на контролируемых участках: рельсовые цепи, устройства счета осей вагонов, радиотехнические датчики, датчики измерения скорости движения вагонов и др.

Напольными устройствами оборудована вершина горки, измерительный участок и стрелочные участки сортировочной горки.

В составе оборудования системы ГАЦ МН нет горочного программно-задающего устройства, как отдельного функционального устройства, входящего в состав релейных систем, а также устройства контроля головной зоны (УКГЗ). В микропроцессорной системе ГАЦ функции названных устройств сохранены, дополнены и возложены на контроллер вершины горки и управляющий вычислительный комплекс УВК, т.е. перераспределены.

ГАЦ МН обеспечивает управление процессом роспуска составов на горках с дистанционным управлением стрелками в следующих режимах:

ручной режим -- команды на перевод стрелок передаются с пультов операторов;

автоматический режим -- команды на перевод стрелок передаются от УВК ГАЦ МН, при этом возможны два режима роспуска:

- маршрутный -- при наборе маршрутных заданий с кнопок пульта дежурного по горке;

- программный -- при автоматическом вводе данных сортировочного листка из АСУ СС в электронном виде в УВК ГАЦ МН.

После загрузки компьютера УВК ГАЦ программы ГАЦ по специальной инструкции пользователя производится автоматический запуск и проверка (тестирование) всех процессов и состояния технических средств, а на экранах всех мониторов системы отображаются основное состояние и сообщение о готовности системы к функционированию. Следует отметить, что в процессе функционирования системы автоматически проверяется работоспособность аппаратных и программных средств, а результаты диагностики можно видеть в окне сообщений всех мониторов системы.

В режиме автоматического роспуска состава ГАЦ МН выполняет ниже перечисленные операции.

Перед началом роспуска состава по инициативе АСУ СС в УВК ГАЦ через специальное устройство, сопрягающее внутреннюю сеть системы и внешнюю сеть передачи цифровой информации, названное сервером-шлюзом, поступают данные готового сортировочного листа. Помимо данных об отцепах в этих сведениях содержится информация о состоянии путей парка приема. На основании этих данных УВК ГАЦ формирует программу роспуска всего состава. Программа предусматривает маршруты движения последовательно каждого отцепа в данном составе на заданный сортировочный путь. Программные и технические возможности УВК допускают формирование до 128 маршрутов следования отцепов для одного распускаемого состава, т.е. практически для любого расформируемого состава в системе составляется программа всех маршрутов следования отцепов. При необходимости в УВК может осуществляться предварительная корректировка программы роспуска, например, при изменении ситуации с занятием сортировочных путей, состоянии технических средств и др. В этом случае УВК ГАЦ формирует и передает сообщение в АСУ СС о введенных изменениях по тому же маршруту: сервер -- АСУ СС. После формирования программа роспуска состава транслируется в контроллер вершины горки КВГ. Более подробно работа КВГ описана ниже.

Начало роспуска инициирует дежурный по горке (нажатие кнопки «Р» АРМ ДСПГ) на пульте. В это время контроллер КВГ подает управляющие сигналы на горочный светофор ГС и указатель количества вагонов в отцепе УКВ. УВК ГАЦ выдает управляющие команды на переводы стрелок по маршруту движения отцепов через блок СГ-76У.

Отцеп скатывающийся с горки, регистрируется идентифицируется в КВГ на базе информации, поступающей от напольных устройств контроля расцепа. Эта информация, содержащая описание текущего отцепа, транслируется в УВК ГАЦ. При достижении скатывающимся отцепом первой стрелки по маршруту его движения он регистрируется напольными датчиками стрелочных зон, т. е. обнаруживается. Датчиками счета осей распознается тип отцепа по количеству в нем осей и данные сопоставляются с описанием отцепа, скатившегося с горки. Далее осуществляется идентификация отцепов по критерию количества в нем осей. При совпадении этих сведений подтверждается факт достижения скатившимся отцепом заданной стрелки по маршруту и то, что до этого момента не произошло ни деления отцепа, ни нагона его другим.

При выезде отцепа за пределы стрелочной зоны данной стрелки, УВК ГАЦ транслирует очередную команду в блок управления этой стрелкой для реализации маршрута движения очередного отцепа. Программно обеспечивается упреждающий перевод стрелок по маршруту следования отцепов с реализацией контроля положения стрелки, положения стрелочной рукоятки на АРМ ДСПГ и регистрацией времени перевода стрелки. При превышении допустимого времени перевода осуществляется программный автовозврат стрелки.

Напольными устройствами стрелочной зоны проверяется его свободность и завершенность перевода стрелки в заданное положение, также производится обнуление показаний счетчиков датчиков счета осей стрелки. Все устройства подготовлены для регистрации очередного отцепа.

По мере скатывания отцепа по стрелочным участкам установленного программой маршрута движения информация об отцепе в УВК ГАЦ о нем документируется и обнуляется в оперативной памяти. При достижении отцепом заданного пути сортировочного парка, что регистрируется его проездом последней стрелки по маршруту движения, УВК ГАЦ передает в АСУ СС информацию о поступившем на заданный путь отцепе.

Напольными устройствами стрелочных участков производится обнаружение отцепов с момента вступления их на предстрелочный участок и до момента проезда последней колесной парой остряков. Для этого используется комплексирование технических средств в различных сочетаниях - РТД-С, ИПД; УСО, РЦ, РТД-С - в зависимости от интенсивности работы стрелочного участка. Информация от напольных датчиков обеспечивает защиту стрелок от несанкционированного их перевода под любыми вагонами, включая длиннобазные.

При управлении роспуском ГАЦ МН обеспечивают защиту от удара в бок при обнаружении впереди идущего отцепа, не успевающего освободить габарит соответствующей стрелки, с учетом скоростей движения обоих отцепов путем перевода стрелки по маршруту текущему отцепу.

При обнаружении опасных отказов напольных и постового оборудования из УВК ГАЦ на АРМы операторов выдается звуковой и визуальный сигнал опасности.

В процессе роспуска в системе непрерывно обновляется в реальном масштабе времени пространственно-временная модель состояния спускной части горки с выдачей на табло коллективного пользования информации о текущем расположении отцепов.

С целью обеспечения надежности работы системы, используя фактор функциональной избыточности информации от напольного оборудования, выбираются наиболее достоверная информация, полученная путем сопоставления от нескольких устройств. Например, при обнаружении отцепа на стрелочном участке может использоваться информация либо от счетчиков осей, либо от РТД-С, либо от ИПД.

В маршрутном режиме при вытяжке маневровой группы вагонов из сортировочного парка на вершину горки и повторном ее роспуске ГАЦ МН обеспечивает выполнение следующих операций:

· Формирование и передачу в АСУ СС запроса состояния пути сортировочного парка и прием от АСУ СС ответа на запрос;

· Формирование и передачу в АСУ СС сообщения о перемещении группы вагонов с пути сортировочного парка;

· Защиту стрелок от взреза при маневровых передвижениях между роспусками.

В режиме отслеживания маневровых перестановок со стороны сортировочной горки без перемещения вагонов на вершину.

ГАЦ МН выполняет те же операции информационного обмена с АСУ СС, что и в маневровом режиме.

Система обеспечивает индикацией следующие виды информации:

· на пультах рабочих мест дежурного и оператора: показания горочных и маневровых светофоров; состояние рельсовых цепей спускной части горки; положения и состояния стрелок; маршрты, количество вагонов для трех последующих отцепов (на пульте дежурного);

· на терминале АРМ ДСПГ: программу роспуска расформировываемого состава; информацию о готовности составов к роспуску; информацию о текущем режиме работы комплекса; рекомендуемую и фактическую скорость роспуска; информацию о запусках отцепов (ушедших не по своему маршруту); звуковую и визуальную информацию об опасных отказах УВК, наполного и постового оборудования;

· на горочном табло коллективного пользования: положение и состояние стрелок; состояние рельсовых цепей спускной части горки; текущее время; аварийную диагностику УВК; при наличии аппаратуры КЗП - ее показания и текущее расположение отцепов на путях подгорочного парка;

· на терминале АРМ ДСЦ: информацию о готовности сортировочных листков в АСУ СС, текст программы роспуска, запрос и просмотр доступных сообщений АСУ СС; запрос, просмотр и распечатку протоколов роспусков;

· на терминал АРМ горочных операторов: параметры очередного отцепа - количество вагонов, особый признак; маршрут очередного отцепа; при наличии аппаратуры КЗП - ее показания; информацию о работоспособности УВК, информацию о режиме работы стрелок; информацию о текущем расположении отцепов на соответствующем пучке; информацию об автовозврате, потере контроля стрелок, отказе стрелочных РТД-С, появлении негабарита на стрелках, диагностику и индикацию состояния напольного оборудования:

- устройств измерительного участка (четыре реверсивных датчика счета осей, РТД-С или ФЭУ); устройств контроля заполнения путей подгорочного парка при наличии на путях сортировочного парка аппаратуры КЗП; рельсовых цепей с фиксацией ложных занятий и освобождений в процессе роспуска;

- всех изостыков; измерение и запись в протокол времени каждого перевода каждой стрелки, фиксация момента потери контроля стрелки и автовозврата стрелки; состояние стрелочных фотоустройств (РТД-С), датчиков счета осей, магнитных педалей с выдачей статистической информации о работе каждого устройства за требуемый период времени.

3.4 Контроллер вершины горки КВГ

Контроллер вершины горки перед роспуском состава по специальному каналу передачи информации через модем 8 получает из УВК ГАЦ МН в электронном виде сведения сортировочного листка с указанием пути надвига и участка контроля расцепа. По получении этой информации КВГ транслирует информацию о количестве вагонов в первых трех отцепах расформируемого состава на указатель количества вагонов (УКВ). Одновременно контроллер рассчитывает скорость надвига и управляет в соответствии с этим горочного светофора. При расчете скорости роспуска производится предварительное моделирование скатывания отцепов, характеристик маршрутов движения и заполнения соответствующих путей сортировочного парка, а также прогнозируемых скоростных режимов движения отцепов и динамических возможностей локомотива при реальном весе состава.

В процессе роспуска КВГ контролирует процесс надвига, расцепа и скатывания отцепов на начальном этапе их автономного движения на верхнем участке сортировочной горки. Для этого используются напольные устройства: радиолокационные датчики скорости РИС В3М, точечные индуктивные датчики счета осей (УСО) и радиотехнические датчики РТД-С.

Скоростемеры устанавливаются на путях надвига и спускной части горки вблизи вершины. Их пространственная ориентация такова, что диаграммы направленности антенн скоростемеров на путях надвига ориентированны в направлении движения надвигаемого состава, а Скоростемеры спускной части горки - навстречу движения расцепляемых отцепов. Вся поступающая информация от напольных устройств направляется в терминальные платы контроллера и по согласующему стыку (RS-232 - RS-485) подается



в промышленный компьютер 6, оборудованный монитором и клавиатурой 7.

Контроль расцепа вагонов производится по критерию различия скоростей надвигаемого состава и скатывающегося состава, отделившегося от состава. Отцеп, начав атомное скатывание с вершины горки, вследствие уклона начинает увеличивать скорость движения. Он как бы «убегает» от надвигаемого состава. При фиксации определенного различия скоростей двух скоростемеров контроллером это регистрируется как момент расцепа вагонов.

Далее факт правильности произведенного расцепа подтверждается, чтобы в дальнейшем реализовать адресный маршрут движения именно этого отцепа. Критерием правильности служит соответствие количественного показателя числа вагонов в отцепе и данным на него сортировочном листке. С этой целью устанавливают два комплекта датчиков счета осей Д1 и Д2, которые позволяют идентифицировать скатываемый отцеп по количеству в нем осей, вагонов и радиотехнический датчик РТД-С, регистрирующий отцеп как одну цельную транспортную единицу. Зафиксированные данные по количеству осей в отцепе (описатель отцепа) в дальнейшем используются в УВК ГАЦ для контроля и отслеживания перемещения отцепа по заданному маршруту вплоть до сортировочного пути, после чего эта информация стирается из оперативной памяти данного роспуска.

Идентификация отцепа начинается с момента регистрации радиотехническим датчиком появления в контролируемой зоне вершины очередного отцепа. Регистрация датчиком расцепа ведется по тому же критерию, что и при контроле занятости стрелочного участка. Существенным критерием является пространственная настройка (юстировка) антенн модулей передатчика и приемников, ориентированная на различие отцепов, если между их сцепками есть разрыв более 0,6 м.

С момента как бы вторичной регистрации расцепа датчиками счета осей Д1 и Д2 поочередно, по мере передвижения вагонов. Причем конструктивно каждый из датчиков выполняет те же функциональные задачи, что и пара педальных датчиков, рассмотренных ранее, при описании их работы в УКГЗ, т. е. каждый из датчиков последовательно считывает количество въехавших на него осей тележки и выехавших. Эта информация о количестве осей передается в контроллер КВГ, где вычисляется количество вагонов в проезжающем отцепе.

После проезда расцепленным отцепом зоны контроля, что регистрируется радиотехническим датчиком, в контроллере вершины идентифицируются полученные данные об отцепе и зафиксированные по данным сортировочного листка. При их полной идентификации КВГ подает команду на указатель количества вагонов о замене информации о количестве вагонов в очередном отцепе. Одновременно при проходе каждого вагона по участку контроля расцепа в УВК ГАЦ МН передается информация о количестве осей в отцепе. Создается банк данных, описывающий каждый отцеп для дальнейшего контроля за его дальнейшим перемещением по маршруту.

По окончании роспуска КВГ гасит показания указателей вагонов и перекрывает горочный светофор.

При выявлении нештатных ситуаций, связанных с нерасцепом или неправильным расцепом вагонов контроллер КВГ передает информацию в УВК ГАЦ и роспуск останавливается. Программа роспуска приостанавливается, показания горочных светофоров меняются. Состав осаживается назад. Восстановление программы роспуска производится средствами АРМа ДСПГ, затем роспуск продолжается.

При регистрации интервала между отцепами, менее допустимого или при проявлении нештатного расцепа, система управления автоматически вносит коррективы в скорость роспуска, создавая условия для предотвращения повторной сцепки или остановки роспуска. В случае регистрации штатного расцепа происходит автоматическое считывание информации о количестве вагонов в трех очередных отцепах на указателях, установленных в зоне вершины горки. При непрерывном расцепе на указателе отцепов информация отображается мигающей индикацией и одновременно транслируется на АРМ ДСПГ.

Система допускает оперативную коррекцию программы роспуска с АРМа ДСПГ или перевод стрелки с горочного пульта управления, обеспечивая при этом регистрацию и документирование проведенной операции.

3.5 Комплексирование защиты стрелок от несанкционированного перевода

Широко употребляемые термины «дублирование» и «резервирование» технических средств несут совершенно иную смысловую нагрузку, в отличие от термина «комплексирование». Дублирование предполагает использование двух или нескольких технических средств, решающих одну функциональную задачу и работающих параллельно, т. е. одновременно. Резервирование предполагает решение той же задачи, но в наличии от дублирования в функциональную работу включаются не все технические средства. Часть из них находится в режиме ожидания и подключаются при выходе из строя работающего устройства. При этом методы дублирования и резервирования не накладывают ограничений на подбор используемых технических средств по принципам их реализации.

Метод комплексирования технических средств основывается на определенных предпосылках (критериях).

В качестве комплексируемых устройств (датчиков) могут использоваться одновременно два и более технических средства, работающих параллельно (дублирование) и решающих одну и ту же задачу обнаружения либо измерения, но подбор датчиков должен опираться на ниженазванные критерии.

1. измерение окружающих внешних условий оказывает на характеристики комплексируемых устройств различное (в идеале противоположное) воздействие.

2. один датчик имеет большой диапазон измерения зоны обнаружения, но обладает невысокой достоверностью, а второй (или другие) - меньший диапазон и более высокую точность.

3. Один датчик осуществляет непрерывное измерение или обнаружение, а другие производят точные измерения, либо обнаруживают объект с высокой достоверностью в дискретных точках или в дискретные моменты времени.

4. Один датчик обладает высокой точностью обнаружения (измерения) объектов, находящихся в статическом состоянии при плохих динамических характеристиках, а другой (другие), наоборот, имеет хорошие динамические характеристики при низких характеристиках для статических либо малоподвижных объектов.

Структурные связи между датчиками устанавливаются так, чтобы положительные качества датчиков дополняли друг друга, а отрицательные компенсировались.

Таким образом, комплексирование предполагает структурную избыточность устройства, решающего заданную задачу. В частности, в целях защиты от перевода стрелки под вагонами комплексирование предполагает использование двух или большего числа датчиков, в совокупности удовлетворяющих вышеназванным критериям.

Эффективность комплексирования защиты стрелок от несанкционированного перевода состоит в оптимизации следующих решений:

· Минимизация количества используемых информационно-измерительных датчиков;

· Максимизация вероятности правильности правильного обнаружения и минимизация вероятности пропуска и ложной тревоги;

· Максимизация используемых функциональных возможностей комплексируемых датчиков для автоматизации управления роспуском вагонов (повышение безопасности роспуска, использование избыточной информации для реализации резервных алгоритмов управления роспуском в нештатных ситуациях и т. п.).

В общем случае, как было отмечено выше, комплексирование защиты от перевода стрелок под вагонами может быть показано схемой, представляющей n-канальный обнаружитель (рис. 4.15). Здесь, к примеру, отображен набор датчиков обнаружения, включая рельсовую цепь (РЦ), радиотехнический датчик (РТД-С), индуктивный датчик (ПБМ), нагруженные на исполнительные реле (ИР).

Рис. 4.15. Структурная схема комплексирования

Следует отметить, что наращиванием числа каналов обнаружения можно добиться сколь угодно высокой достоверности обнаружения, сведя к минимуму вероятность пропуска Р_пр. Однако при этом неизбежно увеличение вероятности ложной тревоги Р_лт. Тем не менее, имея в виду важность решаемой задачи, по предотвращению перевода стрелок под вагонами, риск ошибки, связанной с пропуском, должен быть минимизирован, как приводящий к снижению безопасности движения.

В настоящее время на сети железных дорог для защиты от перевода стрелок под вагонами в разных сочетаниях эксплуатируется достаточно большое количество устройств. Среди них: рельсовая цепь, как правило нормально разомкнутая, путевые бесконтактные датчики двух типов - педаль магнитная типа ПБМ-56 (ДМ 88) без источника питания и датчик путевой типа ДП-50-80 с преобразователем сигнала ПСДП-50-81, а также радиотехнический датчик РТД-С, используемый взамен фотоэлектрического датчика ФЭУ.

Создан новый тип датчика - индуктивно-проводной (ИПД). На разных стадиях разработки в различных организациях создаются датчики, использующие акустические принципы обнаружения и принципы рельсовой локализации. Однако последние типы датчиков в настоящее время в виду несовершенности разработок не следует относить к числу альтернативных, прошедших этап опытной эксплуатации либо находящихся в постоянной эксплуатации.

Таким образом, сегодня и на ближайшие годы в качестве реальных технических средств, обеспечивающих защиту от перевода стрелок под вагонами, рассматриваются: рельсовая цепь (РЦ), датчики педального типа, радиотехнический датчик (РТД-С), фотоэлектрический датчик (ФЭУ) и индуктивно-проводной датчик (ИПД), датчика счета осей (индуктивные).

Из этого перечня датчиков ФЭУ снят с производства и повсеместно заменяется на РТД-С. Наиболее распространенными, традиционными устройствами защиты стрелок до настоящего времени еще остаются РЦ, хотя они обладают существенными недостатками, к тому же функционально не обеспечивают контроль прохода длиннобазных вагонов. Более того, применение нормально разомкнутых РЦ не обеспечивает контроль работоспособности, что не отвечает требованиям обеспечения безопасности.

Лишь дополнение РЦ радиотехническими датчиками РТД-С или другими (например ИПД) обеспечивает полный контроль занятости стрелочных участков при проходе вагонов любого типа. Кроме того, РТД-С позволяет производить непрерывный контроль его работоспособности даже в случае отсутствия вагонов на стрелочном участке. Дополнительно к РЦ и РТД-С горочные стрелки могут оборудоваться педальными датчиками индуктивного типа.

Каждый из датчиков работает на свое исполнительное реле (ИР), а контакты исполнительных реле, включенных в одну цепь по схеме «И», управляют подачей напряжения управления для включения электродвигателя стрелочного привода. Ряд горочных стрелок оснащается комплектом из двух педальных датчиков.

Анализ функционирования действующей схемы комплексирования защиты стрелок от перевода показывает:

· РТД-С обеспечивает защиту от перевода стрелок при проходе любого типа вагонов, а так же обеспечивает контроль функционирования при отсутствии вагонов на стрелочном участке;

· РЦ даже в случае надежного обнаружения шунта колесных пар не обеспечивает обнаружения длиннобазных вагонов, нормально разомкнутая РЦ не гарантирует контроль функционирования при отсутствии вагонов на стрелочном участке;

· Точечные датчики педального типа обеспечивают контроль за колесными парами в зоне, не превышающей 0,5-0,7 м. Использование медленнодействующих исполнительных реле искусственно увеличивают зону контроля. Наряду с этим, датчики педального типа не гарантируют непрерывного контроля работоспособности.

Таким образом, с позиции комплексирования использование двух датчиков - РЦ и педального малоэффективно, поскольку ни один из них не обеспечивает контроль работоспособности и прохода длиннобазных вагонов.

Из перечисленных типов датчиков, рекомендованных для эксплуатации в качестве комплексируемых при защите стрелок от несанкционированного перевода, приняты РТД-С и ИПД. В ряде случае в вариации этих датчиков включают индуктивные датчики счета осей, используемые для идентификации отцепов.



Рис. 4.16. Комплексирование горочных обнаружителей вагонов

Наибольший эффект по достоверности обнаружения и живучести достигается путем оптимального комплексирования датчиков, базирующихся на разных физических принципах действия.

В качестве примера комплексирования на рис. 4.16 показано использование РТД-С и ИПД, рекомендованных к эксплуатации в соответствии с эксплуатационно-техническими требованиями к горочным устройствам автоматизации.

4. Управление торможением и регулирование скорости скатывания отцепов

4.1 Задачи регулировки скорости скатывающихся с горки отцепов

При скатывании вагонов с сортировочной горки должны быть соблюдены следующие три основные условия:

· обеспечена подготовка маршрутов скатывания отцепов в полном соответствии с программой роспуска;

· созданы необходимые интервалы между отцепами на разделительных стрелках для своевременного перевода стрелки очередному отцепу;

· обеспечено прицельное торможение отцепов в сортировочном парке при реализации допустимой скорости соударения вагонов на подгорочных путях.

Нарушение первого и второго условий приводит к появлению на путях «чужаков», нарушение третьего - к повреждению вагонов и грузов. Механизированные горки имеют, как правило, две тормозные позиции (IТП и IIТП), оборудованные вагонными замедлителями. На подгорочных путях (IIIТП) торможение осуществляется обычно регулированием скорости движения вагонов с помощью ручных шлагбаумов либо парковыми замедлителями.

Количество и мощность тормозных средств для каждой сортировочной горки определяются в зависимости от ее высоты, плана и профиля, а также подгорочных путей, структуры вагонопотоков и грузопотоков и др. IТП устанавливается в горочной части горки перед разделительной стрелкой или за ней; IIТП - перед разделительными стрелками пучка путей; IIIТП - на каждом подгорочном пути сортировочного парка.

Для существенного улучшения качества сортировки вагонов на крупных горках рекомендуется сооружать дополнительную тормозную позицию на подгорочных путях (ДТП).

Системы АРС обеспечивают необходимую дальность пробега отцепов при безопасной скорости соударения их с вагонами, находящимися на подгорочных путях, и создают необходимые интервалы между скатывающимися отцепами на спускной части горки.

Основные сложности управления скоростью движения отцепов состоят в том, что они обладают различной массой. В этой связи их условно делят на весовые категории: легкие (Л) - до 28 тс; легко-средние (ЛС) - 28-44 тс; средние (С) - 60-72 тс; тяжелые (Т) - свыше 72 тс.

Эти отцепы, обладая разной массой, в момент отрыва их от состава на вершине горки при роспуске имеют разную потенциальную энергию (mgh). Хотя в начальный момент скатывания отцепов их скорости практически одинаковы, в процессе движения по ускоряющему уклону горки их потенциальная энергия трансформируется в кинематическую (mv²/2), вследствие чего отцепы с разной массой приобретают различную скорость движения. Это означает, что отцепы Л обладают худшими показателями динамики движения и останавливаются быстрее, чем отцепы Т. Поэтому вводится еще одна классификация отцепов по качественному показателю бегунов: «плохие бегуны» - это легкие отцепы; «хорошие бегуны» - это отцепы средней весовой категории и «очень хорошие бегуны» - это тяжелые по весовой категории отцепы.

Поскольку в процессе роспуска вагонов, сочетание попутно скатывающихся отцепов случайно, то при их свободном скатывании одни могут догонять других (хорошие плохих), сцепляясь в один отцеп. Это означает, что в дальнейшем они поедут по одному маршруту как единый отцеп. Такие нагонные ситуации нарушают заданную программу маршрута движения (см. Ранее о работе систем ГАЦ) и приводят к появлению на сортировочных путях так называемых «чужаков», т. е. отцепов, въехавших не на свой сортировочный путь.

В другом случае нагон может привести к превышению скорости соударения двух отцепов, в результате чего разрушается конструкция вагона и портится перевозимый груз -происходит «бой вагонов».

При ином сочетании попутно скатывающихся бегунов: хороший - плохой, первый может уехать в конец сортировочного пути, а второй не доехать до него и остановиться вначале, т. е. между вагонами не доехать до него и остановиться вначале, т.е. между вагонами образуется «окно». Эта ситуация хотя и не приводит к опасной - бою вагонов, но не допустима по той причине, что сортировочный путь оказывается занятым вначале остановившимся отцепом, и не позволяет направлять на него другие вагоны. В этих случаях роспуск приостанавливается, производятся маневровые передвижения, в результате которых вагон проталкивается вглубь сортировочного парка, и с выездом маневрового локомотива роспуск возобновляется. Эти дополнительные технологические операции существенно снижают производительность горки и повышают эксплуатационные расходы.

Наряду с названными факторами, влияющими на скоростной режим скатывания отцепов и динамику их движения, оказывает влияние множество других, имеющих случайное происхождение, а значит и затрудняющих их учет. К их числу относят взаимодействие тележек колесных пар вагона с рельсами, с неоднородностями пути (кривизна, стыки, профиль), трение осей колесных пар в буксовых узлах, влияние ветровых нагрузок (сила ветра, его направление), инерционные свойства вагонов и многое другое. Все эти факторы в процессе движения отцепов могут либо усиливать, либо уменьшать качества бегунов.

Для того, чтобы в процессе скатывания отцепов исключить нагоны, бой вагонов и обеспечить их следование не только по заданному маршруту на сортировочный путь, но и в заданную координату пути, для исключения «окон» и непревышения скорости соударения, на уклоне горки размещают тормозные средства. Они нужны для регулирования скорости движения отцепов путем уменьшения «излишней» кинетической энергии притормаживанием тех, которые едут быстро.

Управление тормозными позициями, которые оборудуются специальными замедлителями, производящими работу по снижению кинетической энергии отцепов, осуществляется дистанционно оператором горки с горочного поста либо автоматически системами автоматического регулирования скорости (АРС, УУПТ). Тормозные позиции располагаются в ряде локальных зон спускной части горки (дискретных точках), а не покрывая всю длину путей. Это означает, что притормозив отцеп в зоне тормозной позиции, надо хорошо прогнозировать его движение до следующей тормозной зоны и так далее до сортировочного пути.

Задача эта весьма сложная, намного сложнее управления маршрутами движения, поскольку требует знаний не только методов управления торможением, но и объекта управления, каковым является отцеп, в условиях действия множества случайных факторов.

Опыт эксплуатации систем автоматического регулирования скорости (АРС) движения отцепов свидетельствует о том, что качественное регулирование скорости вагонов на сортировочных горках должно обеспечивать хорошее прогнозирование динамики движения подвижных единиц, поскольку большую часть пути отцепы скатываются вне зон управления ими.

4.2 Особенности динамики движения отцепов

Часто движение отцепов на спускной части горки рассматривается практически как идеализированное движение по наклонной поверхности, не имеющей неоднородностей (1;5).

В связи с тем, что на любом этапе торможения отцепов (на I, II или III тормозных позициях) решается задача прогнозирования дальнейшего их движения, немаловажным условием является реализация такой стратегии торможения, при осуществлении которой обеспечивалась бы хорошая предсказуемость дальнейшего движения.

На самом деле любой вагон представляет собой механическое транспортное средство, на движение которого весьма существенно оказывают влияние инерционные силы.

В названных источниках (1;5), описывающих динамику скатывания вагонов с горки, положенных в основу реализуемых алгоритмов управления торможением, рассматривается движение тел по гладкой наклонной плоскости с постоянным уклоном, причем действие инерционных сил не учитывается. Рассматривается динамически установившееся движение транспортных средств:

F_рез = F - R= Q(i-w_о) 10^-3 (4.1)

где F - движущая сила, действующая на вагон; R - сила сопротивления движения вагона; Q - сила тяжести вагона; w_о - общее удельное сопротивление движения вагона; w_о = w_осн+ w_доп; w_осн - основное удельное сопротивление движению; w_доп - дополнительное удельное сопротивление движению; I - уклон участка движения вагона.

Основное сопротивление движению действует постоянно при скатывании вагона и вызывается следующими факторами: трением между колесами и рельсами, сопротивлением движению со стороны пути w_п (просадка пути, сужение колеи, наличие стыков и пр.). трение осей в буксах w_тр зависит от качества смазки и типа подшипника, от температуры. При роликовых подшипниках вместо трения скольжения в шейках осей возникает трение качения w_к. Природа возникновения трения качения связана с тем, что при перемещении колеса по рельсу оно вдавливаясь в рельс как бы гонит перед собой упругую волну на его головке. Такая же волна, но меньшая по величине, следует за колесом. Это приводит к появлению сил сопротивления движению колесных пар вагона, действующих постоянно. Одновременно при движении вагона наблюдается проскальзывание колеса относительно рельса вследствие конической поверхности качения колес, неравенства их диаметров в одной и той же колесной паре, неточной сборки колесных пар и виляния вагонов w_ск. Таким образом, основное удельное сопротивление движению может быть представлено в виде суммы трех составляющих:

w_осн = w_тр+(w_к+w_ск)+w_п= w_тр+w_кс+w_п

Дополнительное сопротивление появляется при воздействии на движение вагона внешней среды w_ср (ветра, воздуха), а также при следовании вагона по неоднородностям пути, кривым w_кр, стрелкам w_стр и т. п.

Эта составляющая сопротивления также может быть представлена тремя слагаемыми:

w_доп = w_ср+ w_стр+w_кр

Действие всех перечисленных факторов в процессе движения вагонов практически и предопределяет то, что мы называем динамикой свободного скатывания. Значения всех этих составляющих удельного сопротивления движению примерно одного порядка и составляют величину около (0,1-0,5) Н/кН.

Уравнение 4.1 может быть приведено к виду:

ma=mg₀(i - w_o)10^-3

Откуда

a= g₀(i - w_o)10^-3 (4.2)

где а - ускорение движения отцепа (вагона); g_{0 -} приведенное ускорение свободного падения вагона с учетом вращающихся масс, принимается равным 9,6 м/с².

По существу уравнение 4.1 является основным для описания динамики движения вагонов в свободном скатывании и реализуемым при автоматизации управления их торможением.

Однако существенную сложность и непредсказуемость при использовании этого уравнения вызывает то, что все составляющие удельного сопротивления движению w_о, как и уклон участков пути движения, носят случайный характер. Попытки использовать среднестатистические значения составляющих w_о не принесли желаемого результата.

Из уравнения 4.2 также видно, что выражение в скобках может иметь не только разную величину но и знакопеременно. А это означает, что движение вагона по отдельным участкам спускной части горки может быть как равномерным, при (i - w_o)=0, так и ускоренным, при (i - w_o)>0, а также замедленным при (i - w_o)<0. первое равенство и второе неравенство справедливы в основном при движении отцепов по сортировочным путям.

Очевидно, что на участках пути, где уклон по величине соизмерим с удельным сопротивлением, неопределенность использования (4.1) становится все более очевидной при детермированном представлении w_o.Теперь понятно, что при управлении движением для снижения неопределенностей в случайном характере сопротивления движению, как и других факторов, включая сопротивление среды и уклон пути, необходимо ориентироваться на ускорение движения как интегральную оценку, вычисляемую по непосредственному измерению скорости движения вагона, согласно уравнению 4.2.

Более того, в процессе свободного скатывания отцепов с горки на их пути располагается множество неоднородностей (стыки, стрелочные зоны, переменный профиль т. п.), а также производится неоднократное регулирование скорости скатывания в тормозных позициях, что адекватно действию локальных зон с переменным профилем. В этих условиях динамика движения вагона не в полной мере отражается установившимся режимом. Движение вагонов сопровождается действием инерционных сил.

Различают два основных режима движения отцепов: установившийся (стационарный) и неустановившийся (переходный).

К первому режиму относят равномерное, равноускоренное или равнозамедленное движение, при котором действуют внешние постоянные или медленно изменяющиеся силы. В этом случае усилия в ударно-тяговых приборах определяются в основном указанными внешними силами (силами сопротивления движению, составляющими веса частей отцепа на уклоне и др.) и силами инерции отцепа, возникающими вследствие ускорений его как единого жесткого тела. Относительные перемещения масс вагонов в таком отцепе весьма малы и практически не влияют на силовые процессы.

Ко второму режиму относят переходный процесс разгона и торможения, резкое изменение параметров движения при торможении в замедлителях, а также при соударениях вагонов. В отмеченных случаях силы взаимодействия между вагонами отцепов определяются не только внешними силами, приложенными к отцепу, но и относительными скоростями движения отдельных вагонов, ударами между ними, деформациями упругих связей. Действующие при этом продольные силы существенно зависят от упруго-фрикционных свойств поглощающих аппаратов сцепных устройств и масс взаимодействующих вагонов. Этим и определяется ограничение по допустимой скорости соударения вагонов величиной 1,4 м/с (5 км/ч).

Плавное движение вагонов по пути с реальными неровностями обеспечивается благодаря системе рессорного подвешивания, состоящей из упругих элементов и гасителей колебаний. При движении вагона возникают собственные и вынужденные его колебания. Первые возникают в системе, выведенной из состояния равновесия какой - либо причиной и мгновенно освобожденной или выведенной из состояния покоя толчком. Такие колебания постепенно затухают. Вторые возникают и постоянно поддерживаются под действием какого-либо источника возмущения в течение определенного промежутка времени.

Таким образом, все эти колебания возникают при входе вагона на участок пути с неровностью, а связанные с ними процессы рассматриваются как переходные на участках с изолированной неровностью.

Именно переходный процесс колебаний кузова вагона после действия тормозной силы замедлителя предопределяет непредсказуемое или слабо прогнозируемое движение отцепа. Теоретический анализ динамики движения вагона в условиях случайного воздействия тормозящей силы в зависимости от ее величины и области приложения достаточно сложен и малоизучен. Практически важнее знать статистические характеристики всего комплекса амплитуд колебаний вагона либо его интервальную реакцию на динамику движения после и в процессе воздействия внешних сил.

Примечательно и то, за короткое время движения в пределах неровности возникшие собственные колебания не только не затухают, но и практически не успевают уменьшаться.

Таким образом, в процессе движения вагона он испытывает одновременно как собственные, так и вынужденные колебания, причем воздействия внешних факторов носят, как правило, не детермированный, а случайный характер (в том числе неровности пути).

Под действием приложенных сил к отцепу, скатывающемуся под уклон на сортировочной горке, он движется с ускорением (торможением в замедлителе) а. В общем случае уравнение движения отцепов может быть записано в виде суммы сил [11], включая силы инерции:

H = a?km_i + ?(Q_iw_i+B_Ti) (4.3)

где Н - продольная сила, действующая при движении отцепа в режиме ускорения или замедления; а - ускорение торможения (разгона) отцепа; п - число вагонов в отцепе; k - коэффициент, который учитывает долю увеличения кинетической энергии отцепа за счет вращения колесных пар:

k = 1+ (m_кпp²)/(m_ir²)

где т_кп - масса колесных пар вагона; r,р - соответственно радиус круга качения колес и радиус инерции колесной пары; m, Q - соответственно масса и вес единицы подвижного состава; В_Тi - тормозные касательные силы вагонов.

Первое слагаемое уравнения 4.3 характеризует силы инерции отцепа.

Следует иметь в виду, что при трогании с места и при торможении направление действия инерционных сил противоположно направлению движения, а при движении они действуют в направлении движения.

Во время движения отцепа, особенно в режиме торможения на замедлителях возникают динамические процессы, одной из важнейших характеристик которых является устойчивость системы. Наиболее полно и математически строго вопросы устойчивости нашли разрешение в трудах А.М. Ляпунова. Динамическая устойчивость, как характеристика движения, обобщает понятия и известные критерии оценки динамических ходовых качеств транспортного средства - плавность хода, устойчивость к сходу колес с рельсов, величину динамических сил, ускорений и прочее.

Очевидно, что пренебрегать инерционными силами, возникающими в процессе воздействия на скатывающиеся отцепы импульсных тормозящих воздействий можно только при их незначительности. Радикальным образом избавиться от непредсказуемого действия инерционных сил очевидно возможно в том случае, если первое слагаемое в уравнении 4.3 обратить в ноль. Это возможно лишь в том случае, когда ускорение а равно 0, либо очень близко к нему в момент прекращения тормозной силы замедлителя.

Величина инерционной силы, возникающей при движении отцепов, определяется первым слагаемым уравнения, из чего ясно, что с увеличением ускорения либо массы отцепа инерционные силы возрастают.

В процессе торможения инерционные силы F_ин = та_Т действуют против направления движения отцепа. После торможения эти силы начинают действовать в направлении движения, что адекватно действию дополнительной движущей силы, приводящей к появлению дополнительной движущей силы, приводящей к появлению дополнительной кинетической энергии в переходный период до установившегося движения. После погашения этой дополнительной энергии отцеп продолжает движение в установившемся режиме, которое хорошо описывается известными уравнениями движения.

Процесс неустановившегося движения может растянуться на десятки, а то и сотни метров, что приводит к тому, что отцеп, въезжающий на очередную тормозную позицию не будет находиться в состоянии стационарного движения. Это означает, что на очередном шаге торможения отцепа мы будем иметь дело с объектом управления, «отличным» от ожидаемого. А в случае прицельного торможения отцепа с парковой тормозной позиции непредсказуемость действия инерционных сил после торможения может привести к существенным погрешностям в прогнозировании координаты прицельного торможения системы динамического КЗП при линейной экстраполяции движения.

Таким образом, чем меньше ускорение торможения отцепа в момент полного торможения замедлителя, тем быстрее завершается переходный процесс и наступает установившееся, хорошо прогнозируемое его движение и наоборот. Это указывает на необходимость реализации плавного (мягкого) торможения отцепов в замедлителях тормозных позиций.

4.3 Структура построения устройства управления прицельным торможением

Свободно скатывающийся на спускной части сортировочной горки отцеп (одно- или многовагонный) представляет собой объект управления.

Термин «управление» является более общим, чем «регулирование», «стабилизация», «слежение», «наведение», «ориентация» и т. п. Система автоматического управления может решать не только любую из этих задач, но и всю совокупность задач такого рода, а также иметь дополнительные функции.

В дальнейшем для краткости объект управления ОУ будем именовать просто «объект» (рис. 4.17).

Величину V_x которую необходимо регулировать, т. е. измерять по заданной программе, будем называть «регулируемой величиной» (скорость отцепа), устройство, в котором происходит

Рис. 4.17. Структурная схема управления торможением отцепов

процесс, связанный с регулированием скорости, - «регулируемым элементом» (РЭ). Таким РЭ в устройстве АРС назовем «воздухосборник с управляющей аппаратурой» (ВУПЗ), в состав которого входит электропневматическое устройство распределения сжатого воздуха. Автоматически действующее устройство, предназначенное для выполнения задачи регулирования скорости, представляет автоматический регулятор или просто регулятор (АР).

АР включает измерительное устройство (ИзУ) - горочный измеритель (РИС-В3М, РИС-В2), реагирующий на изменение регулируемой величины V_x преобразователя (Пр), исполнительное устройство (ИсУ) - замедлитель, программное устройство (ПУ), осуществляющее расчет и задание регулируемой величины V_0х(t), а также РЭ.

Рассмотренный комплекс называют системой автоматического регулирования. Следует отметить, что обычно объект управления включается в состав системы, тем самым создавая замкнутую систему. В представленной схеме отцеп, выполняющий функцию ОУ, ни физически, ни гальванически не связан с элементами системы регулирования. В частности, измерительное устройство «связано» с ОУ посредством электромагнитного поля, причем эта связь возникает лишь при появлении отцепа в зоне действия измерителя и регулируемого элемента. В остальное время система представляется разомкнутой. Тем не менее, поскольку цикл регулирования и управления объектом осуществляется при его появлении в зоне замедлителя, будем считать систему автоматического регулирования замкнутой.

Процесс регулирования характеризуется передачей воздействия от одного функционального узла к другому по замкнутому контору. Регулируемая скорость V_x отцепа измеряется измерителем и передается на сравнивающее устройство (СрУ), на которое подается задаваемое ее значение V_0х(t) от программного устройства, в результате чего вырабатывается управляющее воздействие U_1, U₂…U_k на исполнительное устройство, в котором электропневматические клапаны (ЭПК) и регулятор давления (РД) измеряют давление Р₁, Р₂...Р_k сжатого воздуха в пневмосети замедлителя. В результате регулируемый элемент изменяет тормозящую силу замедлителя соответственно Р_т1, Р_{т2 ...}Р_тk, передаваемую на колесные пары отцепа, изменяя тем самым скорость движения отцепа.

Отсюда очевидна зависимость друг от друга перечисленных параметров, участвующих в прогрессе регулирования. В этом процессе очень сложно определить работу одного звена системы, не имея информации о состоянии другого звена.

Воздействия функциональных узлов регулятора друг на друга представляют собой внутренние воздействия, но кроме них, образующих замкнутый контур, система имеет и некоторые связи с внешними факторами, т. е. имеются и внешние воздействия на систему.

Основным внешним воздействием на систему является возмущающее воздействие на объект управления. Это и смещение центра тяжести груза вагона в процессе торможения, и динамически неустановившееся движение объекта в результате его раскачиваний как горизонтальных, так и вертикальных, и изменяющийся коэффициент трения поверхностей колесных пар и балок замедлителя, и внешняя среда, и т. п.

Другим внешним воздействием является задаваемая величина V_0х(t), рассчитываемая на базе поступающей информации о параметрах прицеливания (L_x, V_x). Оно имеет место в рассматриваемом процессе в том случае, когда происходит изменение V_0х(t) при корректировании расчетной скорости выхода отцепа из замедлителя. Если V_0х(t) в процессе регулирования не изменяется, будем считать, что данное внешнее воздействие отсутствует.

Третьей группой внешних воздействий на систему автоматического регулирования скорости движения отцепов будем считать такую автоматически (без участия оператора) действующую систему, которая в требуемые интервалы времени в течение достаточно длительного срока изменяет величину скорости движения отцепа по заданной программе.

...