CC BY
401Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов УДК 681.5.08+625.151.3
Д. В. Ефанов, канд. техн. наук,
Н. А. Богданов
Кафедра «Автоматика и телемеханика на железных дорогах»,
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ СТРЕЛОЧНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ Введение
Стрелочный электропривод (СЭП) предназначен для автоматического перевода стрелок в крайние положения, запирания подвижных элементов стрелочного перевода и передачи информации о достижении заданного крайнего положения [1, 2]. Ввиду того что СЭП расположен в непосредственной близости к железнодорожному полотну, подверженному влияниям погодных условий, вибраций и давлений от подвижных единиц, электромагнитных полей, он является одним из самых ненадежных элементов железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ). По данным статистики, около 10 % всех отказов в ЖАТ приходится на напольные элементы централизованных стрелок СЭП.
Для повышения надежности функционирования СЭП работники дистанций сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) проводят мероприятия по их техническому обслуживанию и ремонту в соответствии пп. 5.2 и 6.3 Инструкции по техническому обслуживанию устройств и систем сигнализации, централизации и блокировки, утвержденной распоряжением ОАО «РЖД» № 939р от 17.04.2014 г. [3, 4]. Кроме того, во многих дистанциях СЦБ используются системы технического диагностирования и мониторинга (СТДМ), позволяющие по косвенным измерениям контролировать ряд электрических параметров работы СЭП: ток перевода стрелки в СЭП с электродвигателями постоянного тока, усилие перевода (полезная мощность) в СЭП с электродвигателями переменного тока, сопротивление изоляции рабочей цепи стрелки и время перевода [5-11]. Использование данного набора контролируемых параметров позволяет на практике с некоторой вероятностью прогнозировать техническое состояние СЭП, а также выявлять их предотказные состояния [12]. Логическая обработка сигналов телеизмерения и телеконтроля позволяет организовать автоматический контроль качества выполнения отдельных работ по техническому обслуживанию устройств СЦБ, что также влияет на надежность и эффективность функционирования СЭП [13, 14].
118
Техническая диагностика и прогнозирование
В данной работе описывается концепция нового измерительного контроллера, предназначенного для прямого автоматического контроля элементов СЭП. Большая полнота и глубина технического диагностирования будут способствовать повышению надежности функционирования устройств автоматического перевода централизованных стрелок.
1. Устройство автоматического контроля элементов стрелочного электропривода
Устройство автоматического диагностирования параметров стрелочного электропривода (АДСЭП) предназначено для прямого контроля, поэтому должно располагаться в корпусе СЭП. Место для расположения и фиксации АДСЭП в корпусе СЭП показано на рис. 1.
Автопереключатель
Рис. 1. Конструкция стрелочного электропривода марки СП-6 (СП-6-М)
119
Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов
АДСЭП предназначается для круглогодичного использования и в соответствии со стандартами должен изготавливаться из материалов УХЛ 2, удовлетворяющих ГОСТ 15150-69 «Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды». АДСЭП классифицируется как средство измерения типа «измерительный преобразователь» и должно сертифицироваться в соответствии с ГОСТ 22261-94 «Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия».
Устройство АДСЭП должно обеспечивать съем, кодирование и передачу информации о текущем состоянии СЭП в концентратор линейного пункта по многоканальной линии с частотным уплотнением каналов для последующей обработки в составе иерархических или автономных систем автоматического контроля и измерения. В качестве физической среды передачи данных может быть использован как отдельный кабель (он прокладывается при новом строительстве), так и кабель, предназначенный для обогрева СЭП.
Для выбора точек подключения АДСЭП был выполнен анализ отказов в СЭП (см. таблицу). Данные получены с использованием автоматизированной системы управления хозяйством автоматики и телемеханики (АСУ-Ш-II) по всей сети железных дорог ОАО «РЖД» за период с 1 января 2000 г. по 31 декабря 2013 г.
Таблица
Отказы в элементах СЭП
Составляющая СЭП Число отказов Доля отказов от общего количества, %
Автопереключатель 3463 42,49
Электродвигатель 2174 26,67
Курбельный контакт 755 9,26
Монтаж 660 8,1
Фрикционное сцепление 471 5,78
Шибер 193 2,37
Контрольные линейки 155 1,9
Редуктор 144 1,77
Другие элементы 135 1,66
ВСЕГО 8150 100
Самым ненадежным элементом в конструкции СЭП является автопереключатель, на который приходится 42,49 % отказов. При этом основной причиной отказов автопереключателя является разрегулировка контактов
(ослабление контактных пружин). Таким образом, можно сделать вывод о 120
Техническая диагностика и прогнозирование
том, что функционирование контактов автопереключателя (как рабочих, так и контрольных) следует контролировать с минимальным периодом съема диагностической информации. Для этого имеются технические возможности. Контроль контактов контрольной цепи может быть организован непрерывно, а контакты рабочей цепи можно контролировать во время перевода стрелки.
Электродвигатель отказывает в 26,67 % случаев. Основными причинами отказов электродвигателей переменного тока (МСТ, МСА) являются повреждения внутреннего монтажа и обрывы монтажного провода на колодке электродвигателя.
Следующий в списке самых ненадежных элементов СЭП - курбельный контакт, на который приходится 9,26 % отказов (нарушения соединений контактов и обрывы монтажа). Поэтому и для курбельного контакта необходимо предусмотреть возможность контроля контактов и монтажа.
Все повреждения монтажа в рассмотренных элементах СЭП в основном происходят в местах крепления проводов. Монтаж и подключение АДСЭП не должны нарушать целостности электрических цепей, а также должно быть исключено какое-либо мешающее влияние на работу СЭП. Исходя из этого входные цепи АДСЭП должны быть защищены от коротких замыканий и подключаться параллельно контролируемым элементам СЭП.
Одной из главных причин нарушений нормальной работы СЭП является низкокачественное выполнение работ по техническому обслуживанию (60-70 % отказов элементов СЭП возникает именно по этой причине [15]). Внедрение автоматизированного контроля путевого оборудования позволит повысить эффективность функционирования СЭП за счет возможности непрерывного технического диагностирования рабочих параметров и обеспечить своевременную реакцию технического персонала дистанций СЦБ.
На рис. 2 показаны точки СЭП, с которых предлагается снимать диагностическую информацию (точки выделены жирным). При этом в качестве схемы управления СЭП выбрана наиболее распространенная пятипроводная схема переменного тока.
Вместо некоторых монтажных проводов в схеме управления надо применить калиброванные токовые шунты с равными значениями сопротивлений (см. рис. 2). Применение шунтов в цепи питания электродвигателя от контактов Б1 и Б2 курбельного контакта к соответствующим клеммам С1 и С2 электродвигателя позволят измерять ток электродвигателя в фазе 1 (ф1) и в фазе 2 (ф2) соответственно. Измерение силы тока в фазе 3 (ф3) будет определяться с помощью информации, полученной с калиброванного провода от клеммы С3 электродвигателя к контакту 12 автопереключателя (точка S).
121
Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов
Рис. 2. Контрольные точки в схеме СЭП
С точек d1 — d2 и к1 — к2 проводится мониторинг состояния контактов Б1, Б2 блока контактов, а с клемм автопереключателя 11-12, 13-14, 41-42, 43-44 - мониторинг контактов рабочей цепи во время работы электродвигателя. В это же время с клемм С1, С2, С3 электродвигателя снимаются данные о напряжении на его обмотках.
После снятия питания с электродвигателя к клеммам С1 - С2, С2 - С3 и клемме С1 - корпусу МСТ поочередно подключаются каналы АД СЭП, измеряющие электрическое сопротивление обмоток электродвигателя и электрическое сопротивление изоляции обмоток электродвигателя относительно корпуса.
АДСЭП подключается параллельно к действующим контактам автопереключателя и курбельного контакта и непосредственно с них получает информацию о величине переходного сопротивления и состоянии контактов. Сравнивая величины напряжений, получаемых с контактов, можно определять повышение величины переходного сопротивления каждого кон-122
Техническая диагностика и прогнозирование
такта в отдельности, если оно выходит за установленные пределы. Мониторинг значения и характера тока в контрольной цепи даст дополнительную информацию о ее состоянии.
2. Экспериментальные исследования по выбору измерительных параметров
Для выбора измерительных параметров, а также их величин были проведены экспериментальные исследования на стрелочных электроприводах переменного тока станции Чудово Октябрьской железной дороги. Измерения проводились откалиброванными средствами измерения Чудов-ской дистанции СЦБ.
В 2012 г. с привлечением сотрудников ОАО «РЖД» в учебном классе Чудовской дистанции СЦБ были получены осциллограммы на контактах автопереключателя, курбельного контакта и на обмотках электродвигателя. Был использован осциллограф GRS-6052A.
На основании анализа осциллограмм была получена следующая информация о работе СЭП с двигателем переменного тока МСА-0,3 и пятипроводной схемой управления:
1. Максимальное значение падения напряжения на замкнутых контактах автопереключателя работающей контрольной цепи составляет 2 мВ.
2. На контакте автопереключателя контрольной цепи при размыкании наблюдается скачок напряжения до 200 В.
3. Максимальное значение падения напряжения на рабочих контактах автопереключателя:
■ во время подачи питающего напряжения составляет 140 мВ;
■ во время трогания шибера - 50 мВ;
■ во время перевода шибера - 25 мВ;
■ в момент начала размыкания рабочих контактов - 120 мВ;
■ во время размыкания величина напряжения резко увеличивается и может достигать 190 В.
4. Максимальное значение падения напряжения на курбельном контакте составляет 16 мВ и 110 мВ на контакте с повышенным переходным сопротивлением.
5. Максимальное значение падения напряжения на обмотках электродвигателя неизменно во время перевода стрелки и составляет 215 В.
Для нахождения величины тока контрольной цепи на макете СЭП в месте разрыва контрольной цепи был включен резистор С-2-29 с номинальным сопротивлением 2,0 Ом. Параллельно сопротивлению был подключен осциллограф GRS-6052A. После подачи питания в СЭП по осциллограмме сигнала с помощью курсора осциллографа было определено мак-
123
Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов
симальное значение падения напряжения (Um) на активном сопротивлении С-2-29 Um = 165 мВ и по закону Ома рассчитан ток:
/
Um
R
0,165
2,0
= 82,5 мА.
Кроме того, с использованием коэффициента амплитуды были уста-новены падение напряжения на сопротивлении и действующее значение тока в контрольной цепи:
U д = U
д к
I д
ид
R
0,165
~^о”
= 82,5 мВ;
82,5
^^ = 41,25 мА. 2,0
Были также выполнены измерения переходного сопротивления контактов курбельного контакта и автопереключателя при отключенном монтаже. Измерения делались на макете СЭП измерителем иммитанса Е7-20. Величина переходного сопротивления рабочих контактов (RTOp) колеблется от 1,9 до 7,8 мОм, контрольных контактов - от 4 до 18 мОм, блока контактов - от 4,5 до 21 мОм. При этом надо отметить, что нормативных значений переходного сопротивления контактов курбельного контакта и автопереключателя нет.
Ниже приведены результаты измерений величины напряжения на рабочих и курбельных контактах в действующем СЭП1:
■ при нормальном переводе - 0,025 В;
■ при работе на фрикцию - 0,039 В;
■ на курбельных контактах - от 0,018 до 0,100 В.
Отличие расчетных и измеренных значений напряжений на рабочих, контрольных и курбельных контактах можно объяснить вибрацией СЭП при переводе стрелки.
В цепях измерения тока средств измерения в пределах от 1,5 до 3,0 А применяются токовые шунты с величиной сопротивления, равной 0,02 Ом. Расчетное падение напряжения на токовом шунте в рабочей цепи при изменениях тока от 1,5 до 3,0 А уложится в диапазоне 30^60 мВ. Расчетное напряжение на токовом шунте в контрольной цепи при токе 0,041 А будет равно 0,82 мВ.
1 Измерения проводились на действующим СЭП марки СП-6 на станции Чудово Октябрьской железной дороги измерительными приборами Ц4352 и APPA99II. За основу были взяты показания прибора АРРА99П с высоким входным сопротивлением, близким по значению сопротивлению входной цепи разрабатываемого диагностического прибора.
124
Техническая диагностика и прогнозирование
Для измерения таких малых значений напряжения необходимы высокочувствительные входные цепи устройства, а это затруднительно из-за жестких условий эксплуатации (повышенная вибрация, высокий уровень электромагнитных помех).
Исходя из вышесказанного, можно сформулировать следующие требования к проведению измерений:
1. Измерения в рабочей цепи следует выполнять с момента подачи питания на ЭД и до размыкания контактов АП рабочей цепи.
2. Измерения в контрольной цепи можно проводить непрерывно.
3. Измерения электрического сопротивления изоляции обмоток ЭД относительно его корпуса и электрического сопротивления обмоток ЭД возможно проводить поочередно в периоды, когда отсутствует питание в рабочей цепи.
4. Контроль переходного сопротивления контактов АП и блока контактов необходимо производить от нормированного значения:
■ для рабочей цепи это может быть 0,1 Ом, в этом случае наименьшее падение напряжения на рабочем и курбельном контактах составит 150 мВ;
■ для контактов контрольной цепи его нормированное значение из-за малого значения тока должно быть в пределах 2,5^4 Ом, падение напряжения на контактах будет равно 100^165 мВ (увеличение нормированного значения переходного сопротивления контактов контрольной цепи до 2,5^4 Ом не скажется на работе реле КМШ-3000, так как последовательно с ними включено сопротивление 1000 Ом блока БДР).
5. Для более точного измерения тока в рабочей цепи необходимо повысить сопротивление шунта до 0,07 Ом, тогда падение напряжения на токовом шунте при токе 1,5 А будет равным 105 мВ, что улучшит помехозащищенность и достоверность измерений.
6. Диагностирование состояния и параметров элементов контрольной цепи необходимо выполнять на основе данных, полученных с резисторов номиналом 2,0 Ом, которые включены вместо перемычек между контактами 41-31 и 21-11 АП.
Информацию о состоянии и работе СЭП условно можно разделить на две группы. Первая группа - это информация, которая может быть получена только во время перевода стрелки в течение 3^4 секунд. Вторая группа - это информация, которая может сниматься непрерывно или в течение длительного периода времени между переводами стрелки.
Информацию первой группы получают от элементов рабочей цепи:
■ мониторинг величины тока перевода стрелки в нормальном режиме и в режиме работы на фрикцию;
■ мониторинг величины напряжения на клеммах электродвигателя;
125
Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов
■ мониторинг величины переходного сопротивления контактов автопереключателя и курбельного контакта;
■ измерение времени перевода стрелки.
Вторая группа информации поступает от элементов контрольной цепи и электродвигателя:
■ мониторинг величины переходного сопротивления контактов автопереключателя;
■ мониторинг электрического сопротивления изоляции обмоток электродвигателя относительно его корпуса и электрического сопротивления обмоток электродвигателя;
■ величина и характер тока контрольной цепи для мониторинга состояния ее элементов.
Заключение
Рассмотренная в работе концепция измерительного контроллера позволяет практически полностью обеспечить контроль напольной части электрической схемы управления СЭП. Это позволит по косвенным диагностическим признакам определять нарушения содержания динамической части СЭП и самого стрелочного перевода (люфты и трения). Выбранные точки съема диагностической информации дают полное представление о характере функционирования СЭП. Кроме того, данные о токе и напряжении перевода стрелки, полученные от предлагаемого контроллера, можно будет сравнить с постовыми данными и получить информацию о потерях в линии питания электродвигателя и на основе уточненной информации рассчитать различные режимы работы электродвигателя и усилие нажатия фрикционного сцепления.
В заключение отметим, что, кроме расширения полноты и глубины технического диагностирования СЭП в автоматическом режиме, разработка и внедрение предлагаемого измерительного контроллера позволяет автоматизировать и такие работы по техническому обслуживанию, как [3]:
п. 2.1.5 - измерение силы тока потребляемого электродвигателем постоянного тока;
п. 2.1.6 - измерение переводных усилий электроприводов при работе на электродвигателя переменного тока на фрикцию;
п. 2.1.10 - измерение в электродвигателях постоянного тока сопротивления обмоток якоря и статора;
п. 2.1.11 - измерение напряжения на клеммах электродвигателя при работе на фрикцию;
п. 2.1.13 - проверка устройств внутреннего обогрева электроприводов.
При этом также можно обеспечить мониторинг состояния электрического сопротивления изоляции между обмотками электродвигателя и его
126
Техническая диагностика и прогнозирование
корпусом и оценить состояние монтажа и величину электрического сопротивления обмоток электродвигателя.
Разработка измерительных контроллеров, позволяющих обеспечивать автоматизированный контроль параметров путевого оборудования СЦБ, не только решает задачи повышения надежности работы всего комплекса ЖАТ в целом, но и приближает момент перехода на технологию обслуживания устройств по фактическому состоянию [16-24], а также снижает риск нарушения безопасности движения поездов [25-27].
Библиографический список
1. Микропроцессорные системы централизации : учебник для техникумов и колледжей железнодорожного транспорта / Вл. В. Сапожников, В. А. Кононов, С. А. Куренков, А. А. Лыков, О. А. Наседкин, А. Б. Никитин, А. А. Прокофьев, М. С. Трясов ; под ред. Вл. В. Сапожникова. - М. : ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2008. - 398 с.
2. Резников Ю. М. Электроприводы железнодорожной автоматики и телемеханики / Ю. М. Резников. - М. : Транспорт, 1985. - 288 с.
3. Инструкция по технической эксплуатации устройств и систем сигнализации, централизации и блокировки : утв. распоряжением ОАО «РЖД» № 939р от 17.04.2014 г. - М., 121 с.
4. Техническая эксплуатация устройств и систем железнодорожной автоматики и телемеханики : учеб. пособие для вузов ж.-д. транспорта / Вл. В. Сапожников, Л. И. Борисенко, А. А. Прокофьев, А. И. Каменев ; под ред. Вл. В. Сапожникова. - М. : Маршрут, 2003. -336 с.
5. Богданов Н. А. Измерение усилия стрелочного электропривода с асинхронным электродвигателем / Н. А. Богданов, Д. В. Новиков // Теоретические и практические аспекты развития систем железнодорожной автоматики и телемеханики : сб. науч. тр. ; ред. Вл. В. Сапожников. - СПб. : Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2012. - С. 71-76.
6. Ефанов Д. В. Функциональное диагностирование стрелочных электроприводов переменного тока / Д. В. Ефанов, Е. В. Басалаев, В. Г. Алексеев // Транспорт Урала. - 2012. -№ 4. - С. 26-29.
7. Руденко В. М. Телемеханическая диагностика стрелочного привода и электродвигателя / В. М. Руденко // Разработка и эксплуатация новых устройств и систем железнодорожной автоматики и телемеханики : сб. науч. тр. ; под ред. Вл. В. Сапожникова. - СПб. : ПГУПС, 2004. - С. 77-81.
8. Чухонин В. М. Измерение фазовых соотношений в стрелочных электроприводах с двигателями переменного тока / В. М. Чухонин, Б. Л. Горбунов // Разработка и эксплуатация новых устройств и систем железнодорожной автоматики и телемеханики : сб. науч. тр. ; ред. Вл. В. Сапожников. - СПб. : Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2004. -С. 21-24.
9. Чухонин В. М. Нормирование активной мощности двигателей переменного тока
при переводе стрелки / В. М. Чухонин, Б. Л. Горбунов, Е. В. Басалаев // Развитие элементной базы и совершенствование методов построения устройств железнодорожной автоматики и телемеханики : сб. науч. тр. ; под ред. Вл. В. Сапожникова. - СПб. : ФГБОУ ВПО
ПГУПС, 2014. - С. 23-25.
10. Чухонин В. М. Автоматизированный контроль усилия перевода стрелки / В. М. Чу-хонин, Б. Л. Горбунов, Д. В. Ефанов, В. Г. Алексеев // Автоматика, связь, информатика -2012. - № 7. - С. 2-4.
127
Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов
11. Чухонин В. М. Оценка погрешности метода измерения cos9 при переводе стрелки переменного тока / В. М. Чухонин, Б. Л. Горбунов, А. К. Легоньков, А. С. Падалко // Проблемы разработки, внедрения и эксплуатации микроэлектронных систем железнодорожной автоматики и телемеханики : сб. науч. тр. ; ред. Вл. В. Сапожников. - СПб. : Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2005. - С. 43-46.
12. Волков А. А. Выявление предотказов стрелочных электроприводов / А. А. Волков, Д. С. Першин, С. Н. Григорьев // Автоматика, связь, информатика. - 2014. - № 4. - С. 16-18.
13. Ефанов Д. В. Автоматизация контроля на стрелках / Д. В. Ефанов, Н. А. Богданов // Мир транспорта. - 2011. - № 2. - С. 54-59.
14. Бочкарев С. В. Совершенствование методов диагностирования стрелочного переводного устройства / С. В. Бочкарев, А. А. Лыков, Д. С. Марков // Автоматика на транспорте. - 2015. - Т. 1. - № 1. - С. 40-50.
15. Материал к совещанию по итогам работы хозяйства «Автоматики и телемеханики» за 2011 г. (Калининград, 28-29 февраля 2012 г.). - Калининград, 2012. - 302 с.
16. Гоман Е. А. Автоматизация технического обслуживания устройств СЦБ / Е. А. Гоман, А. Л. Вотолевский, Е. М. Шандин, К. В. Маслов // Автоматика, связь, информатика. -
2008. -№ 4. - С. 22-25.
17. Каменев А. И. Система технической эксплуатации средств ЖАТ и ее совершенствование // А. И. Каменев // Автоматика, связь, информатика. - 2009. - № 1. - С. 8-11.
18. Вотолевский А. Л. Внедрение автоматизированной технологии обслуживания устройств ЖАТ / А. Л. Вотолевский, Е. М. Шандин // Автоматика, связь, информатика. -
2009. - № 2. - С. 8-11.
19. Адаскин В. М. Совершенствование системы технического обслуживания / В. М. Адаскин // Автоматика, связь, информатика. - 2009. - № 12. - С. 20-22.
20. Шабалин А. Н. Новая технология обслуживания устройств СЦБ / А. Н. Шабалин // Автоматика, связь, информатика. - 2009. - № 12. - С. 23-24.
21. Вотолевский А. Л. АСУ и технологии обслуживания устройств ЖАТ / А. Л. Вотолевский // Автоматика, связь, информатика. - 2011. - № 10. - С. 36-42.
22. Шабалин А. Н. Результаты использования и перспективы развития передовых технологий обслуживания устройств ЖАТ / А. Н. Шабалин // Сборник докладов V МНПК «Транс ЖАТ-2010». - Ростов н/Д, 2010. - С. 81-89.
23. Вотолевский А. Л. Проблемы и организационно-технические основы перехода к обслуживанию устройств ЖАТ «по состоянию» / А. Л. Вотолевский // Сборник докладов V МНПК «Транс ЖАТ-2010». - Ростов н/Д, 2010. - С. 89-97.
24. Иванов А. А. Новые приборы регистрации параметров устройств железнодорожной автоматики в системе АПК-ДК (СТДМ) / А. А. Иванов, А. К. Легоньков, В. П. Молодцов // Автоматика на транспорте. - 2015. - Т. 1. - № 3. - С. 282-297.
25. Красковский А. Е. Комплексная оценка рисков для безопасности движения / А. Е. Красковский, П. А. Плеханов, Д. И. Рогоза // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2011. - № 1. - С. 54-65.
26. Ефанов Д. В. Обеспечение безопасности движения за счет технического диагностирования и мониторинга устройств железнодорожной автоматики и телемеханики / Д. В. Ефанов, П. А. Плеханов // Транспорт Урала. - 2011. - № 3. - С. 44-48.
27. Красковский А. Е. Постановка экономически обоснованных целей по безопасности движения / А. Е. Красковский, П. А. Плеханов, С. А. Вырков // Экономика железных дорог. - 2013. - № 2. - С. 42-48.
Email: [email protected]
128
