CC BY
276
УДК 631.3
Е. Л. Рыжова
ВНЕДРЕНИЕ ИННОВАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ
при обслуживании электромеханических
КОМПЛЕКСОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Рассмотрены вопросы внедрения инновационных электротехнических и электронных устройств при обслуживании электромеханических комплексов железнодорожного транспорта. Приведен обзор внедряемых и используемых автоматизированных систем для повышения технологичности и безопасности электромеханических комплексов российский железных дорог. Показана роль передовых технологий в продвижении экономических реформ отрасли - одного из главных направлений инновационной политики компании ОАО РЖД.
инновации, модернизация, тяговые электродвигатели, контактная сеть, неразрушающий контроль, дефектоскоп, радиолокационное зондирование, электрическая централизация и автоблокировка.
Введение
Английский термин «innovation» (инновация, нововведение) определяется как «новое приложение научных и технических знаний, приводящее к успеху на рынке». Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта в значительной мере зависит от решения проблем стабилизации функционирования работы и развития транспорта, в том числе за счет различного рода инноваций.
Внедрение новых технологий в хозяйстве пути - модернизация электрических сетей, развитие инновационных технологий укладки и обслуживания железнодорожных путей и т. п. - позволит увеличить срок службы верхнего и нижнего строения, снизить стоимость жизненного цикла при повышении уровня безопасности. На сети железных дорог появился первый комплекс по механизированной укладке георешетки и рельсофрезеровальный поезд. Отработаны технологии ремонта и текущего содержания пути с использованием цифровой модели пути.
В последние годы активно используются спутниковые технологии. Уже сейчас они позволяют организовывать работу подвижного состава, получать и оперативно контролировать проведение ремонта пути. Например, на участ-
82
ке Москва - Санкт-Петербург работает система автодиспетчера, управляющая в автоматическом режиме и стрелками, и сигналами, для этого каждые десять секунд определяется местонахождение поезда. Все новые локомотивы оборудуются системами диагностики, которые позволяют по множеству параметров контролировать работу локомотивов на всей сети.
Определяющим критерием в мировом железнодорожном строительстве является создание высокоскоростных железнодорожных сетей и технологических устройств нового поколения, в частности инновационных электротехнических устройств, применяемых при обслуживании электромеханических комплексов.
1 Объекты и результаты исследования
1.1 Электрический подвижной состав
Электрооборудование электрического подвижного состава (электропоездов и электровозов) представлено, кроме прочего, тяговыми электрическими двигателями.
На более новых моделях электровозов постоянного тока используется индивидуальный электрический привод тяговых двигателей. Эти электродвигатели изначально рассчитаны на рабочее напряжение 1500 вольт.
Скорость перемещения электровоза постоянного тока регулируют величиной напряжения, которое подаётся на тяговые электродвигатели, либо соотношения тока возбуждения и тока якоря [1]. В последние годы происходит переход на импульсное регулирование рабочего напряжения с применением управляемых полупроводниковых вентилей (тиристоров). Подобная система дает возможность производить управление несколькими составами с одного поста и полностью исключает случайное попадание высокого рабочего напряжения на имеющиеся аппараты управления.
Наряду с изобретением более быстрых двигателей есть еще ряд технических инноваций, необходимых для создания разумных железнодорожных систем, которые будут помогать железнодорожным операторам управлять комплексными процессами перевозок и оптимизировать их транспортные сети.
1.2 Экономия электроэнергии за счёт интеллектуальных систем
В настоящее время в мире актуален вопрос об эффективности расхода электроэнергии как в промышленности, так и на транспорте. На первом месте (по значимости) стоят всевозможные энергосберегающие системы. В том или ином проекте изначально предусматривается работа электронных интеллектуальных систем как один из способов повышения экономии энергоресурсов.
83
На данный момент уже существуют некоторые интеллектуальные системы, которые можно внедрить в электрические сети железнодорожного транспорта для экономии электроэнергии. К примеру, уже довольно известна современная разработка компании Siemens - интеллектуальная электрическая сеть под названием Smart grid. Эта инновационная технология представляет собой сеть выработки и последующего распределения электроэнергии, которая изначально основывается на коммуникации (двусторонней) между всеми задействованными в энергетическую цепочку частями системы. Система Smart grid способна объединять большие централизованные энергетические блоки, малые децентрализованные блоки и системы, а также более мелких потребителей электроэнергии в одну управляемую энергетическую структуру, которая функционирует по принципу электронно-информационной передачи данных.
Усовершенствовав подобным образом электрическую сеть, потребитель может значительно снизить общий расход электроэнергии в максимальные периоды ее расхода. Благодаря таким электронным интеллектуальным сетям становится возможным полная интеграция распределенной электроэнергии: солнечные батареи, топливные мини-электрогенераторы, ветровые турбины и т. д. Электрическая сеть с интеллектуальной системой автоматически накапливает электроэнергию для последующей балансировки нагрузок при раздельной генерации электричества и исключения каскадных перебоев в системе электроснабжения [2].
1.3 Контактная тяговая сеть для электроснабжения железных дорог
Любое нарушение нормального электроснабжения железных дорог приводит к перебоям в запланированном движении подвижных единиц. Для того чтобы качественно обеспечить надежное электропитание тяговой электросети железнодорожного транспорта, обычно заранее предусматривают ее электрическое подключение к двум различным независимым друг от друга источникам электроэнергии. Участки электрической контактной сети запитывают от соседних тяговых электроподстанций. Это даёт возможность более равномерно нагружать тяговые электрические подстанции и контактную электросеть, что способствует понижению различных потерь электрической энергии в тяговой сети.
В 2010 году проведена модернизация контактной сети по проекту КС-160, что позволяет увеличить скорость движения подвижного состава до 180 км/ч.
Проведено обновление 408,56 км контактной сети по проектам КС-160, обновление 62,33 км линий автоблокировки, реконструкция или техническое перевооружение оборудования на 23 тяговых подстанциях.
На железные дороги поставлены инновационные устройства: дистанционные приборы для измерения параметров контактной сети, тепловизоры, приборы для диагностики устройств защиты, хроматографы, автолаборатории
84
для диагностики трансформаторов, автолаборатории для диагностики и испытаний кабельных линий, системы для быстродействующей диагностики изоляторов контактной сети, автомотрисы АДМ, оборудованные устройством для диагностирования параметров контактной сети.
Кроме того, поставлены устройства для телеконтроля параметров тяговой нагрузки фидеров контактной сети постоянного тока с диагностикой остаточного ресурса быстродействующих выключателей, интеллектуальные терминалы присоединения для постоянного тока (с функциями диагностики выключателей), интеллектуальные терминалы присоединения для переменного тока с функциями диагностики выключателей и другие новейшие устройства обслуживания электромеханических комплексов железнодорожного транспорта [2].
1.4 Контроль состояния железнодорожных путей
Внедрение разумных железнодорожных систем даст возможность развернуть сети датчиков вдоль железнодорожных путей и непрерывно контролировать износ путей и подвижного состава, а также состояние текущего технического обслуживания и ремонта. Эти системы собирают и анализируют данные, поступающие от датчиков, установленных на поездах, путях, станциях и других железнодорожных активах, чтобы повысить скорость, безопасность и надежность железнодорожного сообщения.
Журнал IEEE Spectrum, ежемесячное издание американского Института инженеров электротехники и электроники (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE), признал инновационным проектом работу корпорации IBM с «Российскими железными дорогами» по созданию разумной транспортной системы. Данная инициатива, как считает это издание, позволит достичь огромных социальных преимуществ и коммерческого успеха [3].
Ведется активная работа по созданию радиоэлектронных комплексов и систем управления ответственными объектами, основными из которых являются технические средства инфраструктурных объектов ОАО РЖД.
В области путевого хозяйства это средства неразрушающего контроля рельсов и железнодорожного полотна на базе ультразвуковых методов и методов сверхширокополосного (СШП) радиолокационного зондирования -съемные и мобильные средства диагностики рельсового пути.
Средства дефектоскопии широко известны как на российских железных дорогах, так и за рубежом. Традиционно все российские дефектоскопы сплошного контроля рельсов используют систему ввода ультразвуковых колебаний, основанную на акустических блоках скольжения. Однако существенным недостатком таких систем является появление «непроконтролированных» участков пути из-за нарушения акустического контакта на неровностях поверхности катания [4].
85
В связи с этим были начаты работы по созданию двухниточного дефектоскопа «Авикон-14» на базе многоканальных ультразвуковых колесных преобразователей. В данном приборе, а также в других новых дефектоскопах в качестве устройства обработки и индикации дефектоскопической информации применяются компактные защищенные промышленные компьютеры. Новые возможности дефектоскопа «Авикон-14» создают предпосылки для постепенного изменения технологии сплошного контроля рельсов. Этот прибор обеспечивает сплошную регистрацию сигналов и дает возможность контролировать локальные участки пути (стрелочные переводы, станционные пути).
Классический подход ультразвуковой дефектоскопии не позволяет определять реальные размеры и конфигурацию внутренних дефектов рельсов. Многолетние исследования и знания реальной практики контроля позволили разработать уникальный прибор «Авикон-17» для оценки реальных размеров дефектов в головке рельсов. Он позволяет просканировать локальный участок головки рельса и отобразить конфигурацию поперечной трещины на дисплее портативного компьютера в виде SD-изображения.
За последние годы проведена масштабная работа по модификации совмещенного вагона-дефектоскопа с комплексом «Авикон-03М». На вагоне внедрена 12-канальная система видеорегистрации рельсового пути, жестко синхронизированная с данными дефектоскопических каналов. Видеосистема открывает уникальные возможности вагона-дефектоскопа по выявлению различных неисправностей пути и элементов инфраструктуры.
Диагностический комплекс вагона модернизирован новой системой измерения отдельных геометрических и динамических параметров рельсового пути с помощью инерциальных методов.
Дополнена схема прозвучивания рельсов (до 12 каналов на каждую нитку пути), обновлена конструкция искательной системы, разработана магнитная следящая система. Установлено дополнительное оборудование: GPS-приемники, датчики температуры рельсов и окружающего воздуха и др.
Новый вагон-дефектоскоп «Авикон-03М» с расширенными функциональными возможностями, разработанный по заказу ОАО РЖД, эксплуатируется на Октябрьской железной дороге с мая 2011 г.
Получаемая вагоном-дефектоскопом комплексная информация позволяет не только повысить вероятность обнаружения дефектов в рельсах, но и осуществлять диагностику многих элементов железнодорожной инфраструктуры.
Начиная с 2000 года на российских железных дорогах протяженность бесстыкового пути ежегодно возрастает на 3-3,5 тыс. км, охватывая на сегодняшний день более 65 % протяженности главных путей. Применяемая до настоящего времени технология ручного контроля сварных стыков не может обеспечить требуемую производительность и надежность контроля.
86
Поэтому был создан новый автоматизированный многоканальный дефектоскоп МИГ-УКС для ультразвукового контроля электроконтактных сварных стыков рельсов. Он исключает участие оператора в процессе сканирования, повышает производительность, а также формирует документ контроля для каждого проверенного сварного стыка.
Дефектоскоп МИГ-УКС обеспечивает озвучивание сварного сечения с двух статических положений дефектоскопа, что позволяет сформировать предложения по дальнейшему совершенствованию данного прибора. Модернизация МИГ-УКС путем введения сканирования на локальном участке и отображения сигналов на В-развертке заметно повысила достоверность контроля. Среднее время контроля одного сварного стыка с помощью МИГ-УКСМ (при одновременном получении документа контроля) в 3-4 раза меньше, чем при ручном контроле.
Создание аппаратуры и программного обеспечения, реализующих технологию сверхширокополосного радиолокационного зондирования, обеспечивает неразрушающий контроль инженерно-геологического строения балластного слоя и железнодорожного земляного полотна, поиск и определение местоположения подземных коммуникаций с использованием СШП радиолокационного зондирования и других методов.
Получаемая геолокационная информация позволяет реализовать концепцию обслуживания земляного полотна по техническому состоянию за счет своевременного выявления аномальных (потенциально аварийных) зон, наблюдения за изменением характеристик балластного слоя, что приводит к уменьшению объема работ по усилению земляного полотна, увеличивает межремонтные сроки и экономит материальные и технические ресурсы.
В настоящее время завершается разработка георадиолокационного комплекса (ГЛК) реального времени, предназначенного для интегрирования его в технический и информационный комплекс вагона-дефектоскопа «Авикон-03М». Включение такого комплекса в состав вагонов-дефектоскопов даст возможность осуществлять неразрушающий контроль состояния не только рельсового пути, но и железнодорожного полотна и насыпи. Дефекты рельсов и железнодорожных насыпей часто связаны между собой, такое расширение области контроля обеспечит более высокую безопасность железнодорожного движения.
Созданы переносные мобильные средства, позволяющие более детально обследовать небольшие участки железнодорожной насыпи, обеспечивать поиск коммуникаций и кабельных линий. Для решения этих задач используется прибор поиска подповерхностных объектов - геолокатор радиоволновой «ГЕО-РА» и переносной радиоволновой искатель кабельных линий РИКЛ.
Геолокатор СШП переносной «ГЕО-РА» обеспечивает обнаружение инженерных коммуникаций, в том числе не содержащих металлических элементов, а также подповерхностных объектов с поперечным размером более
87
20 см, находящихся в теле железнодорожной насыпи, под дорожными покрытиями и в строительных конструкциях на глубинах от 10 до 100 см.
Радиоволновой искатель кабельных линий (РИКл) предназначен для поиска и обнаружения длинных (не менее 50 м) кабельных линий и трубопроводов, находящихся в грунте на глубине до 1 м, и определения трассы прохождения коммуникаций в плане и по глубине. РИКл показал высокую эффективность при поиске кабельных сетей в ходе экспериментальных работ на участке Октябрьской железной дороги [3].
1.5 Системы железнодорожной автоматики и телемеханики
В области железнодорожной автоматики и телемеханики важнейшим направлением является создание безопасных отказоустойчивых микропроцессорных систем электрической централизации и автоблокировки с тональными рельсовыми цепями (ЭЦ-ЕМ/АБТЦ-ЕМ) на базе управляющего вычислительного комплекса микропроцессорной централизации стрелок и сигналов (УВК Ра), а также совмещенных питающих установок СПУ для различных систем железнодорожной автоматики и телемеханики.
УВК РА осуществляет в реальном времени сбор, обработку и хранение информации о текущем состоянии объектов централизации. На основании полученной информации реализуются технологические алгоритмы централизованного управления напольным оборудованием с формированием и выдачей управляющих воздействий.
Производится непрерывная диагностика состояния системы с определением предотказных состояний УВК РА и СПУ. Сведения о состоянии объектов централизации и результаты диагностирования передаются на рабочее место дежурного по станции, в системы диспетчерского контроля и диспетчерской централизации [4].
безопасность и отказоустойчивость УВК РА обеспечиваются следующими техническими решениями:
1) трехканальным аппаратным резервированием аппаратуры и каналов связи, позволяющим продолжать безопасное функционирование системы при отказах отдельных модулей или одного канала в целом;
2) мягкой (программной) синхронизацией работы каналов с временным сдвигом при выполнении одноименных процедур в различных каналах, позволяющей осуществлять нормальное функционирование при сбоях в различных каналах;
3) асимметрией отказов интерфейсов и каналов связи за счет реализации адаптивно-перестраиваемых алгоритмов;
4) постоянным контролем, периодическим тестированием, сравнением работы вычислительных каналов и переводом отказавшей аппаратуры в безопасное необратимое состояние;
88
5) возможностью «горячей» замены отказавших модулей без нарушения функционирования системы;
6) переводом в необратимое автоматически отключенное состояние отдельных модулей выходных усилий, отдельных блоков или УВК в целом в случаях, вызвавших соответствующий отказ.
Унификация УВК РА и базовый принцип конструирования позволяют рационально организовать УВК Ра для малых, средних и крупных станций. В частности, в 2011 г. введена в постоянную эксплуатацию система ЭЦ-ЕМ на базе УВК РА на одной из крупнейших станций - ст. Бологое Октябрьской ж. д. (207 стрелок) с двумя зонами управления.
Также следует отметить системы ЭЦ-ЕМ на базе УВК РА, установленные на следующих станциях:
- ст. Гатчина Октябрьской ж. д., где впервые использованы два связанных друг с другом УВК РА;
- ст. Вязники Горьковской ж. д., где впервые одно из устройств связи с объектом (УСО) установлено на удалении нескольких километров для управления пунктом концентрации АБТЦ-ЕМ.
Работой по усовершенствованию УВК РА, а следовательно и систем ЭЦ-ЕМ/АБТЦ-ЕМ в целом, следует считать разработку УСО для бесконтактного управления огнями светофоров и стрелочными приводами (УСО БК). Использование УСО БК позволяет существенно сократить количество реле, повысить надежность и улучшить эксплуатационные характеристики системы.
Совмещенные питающие установки (СПУ) на базе устройств бесперебойного питания (УБП) предназначены для обеспечения электропитанием релейных и микропроцессорных систем централизации и автоблокировки.
С 2002 года совмещенные питающие установки внедрены и успешно эксплуатируются более чем на 200 станциях и перегонах железных дорог России. СПУ оборудованы участки Санкт-Петербург - Москва - Нижний Новгород и Санкт-Петербург - Хельсинки, по которым осуществляется высокоскоростное движение поездов нового поколения «Сапсан» и «Аллегро».
В настоящее время на сети железных дорог России системы электрической централизации ЭЦ-ЕМ/АБТЦ-ЕМ на базе УВК РА внедрены на 90 ж.-д. станциях (более 2200 стрелок) и 18 перегонах (более 330 км АБ) [3].
Заключение
Разработанные приборы и системы представляют собой сложные радиоэлектронные комплексы, являющиеся высокоэффективными диагностическими приборами с интуитивно понятным интерфейсом, которые обеспечивают бесперебойность и безопасность перевозочного процесса железных дорог,
89
увеличивают срок службы железнодорожного пути, снижают стоимость его жизненного цикла.
Данные технические средства широко внедряются на сети железных дорог России, обеспечивая безопасность движения поездов, что позволяет рассматривать их как базу инновационного проекта системы обслуживания электромеханических комплексов железнодорожного транспорта.
Библиографический список
1. Электрооборудование предприятий / Г. Г. Рекус. - М. : Высшая школа, 2005. -
503 с.
2. Состояние и перспективы развития железнодорожного транспорта Российской Федерации : отчет о НИР (заключ.): 06-02 / Рос. кн. палата ; рук. Джиго А. А. ; исполн. : Смирнова В. П. [и др.]. - М., 2010. - 250 с.
3. Web-сайт IBM [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.ibm.com/ibm/ ideasfromibm/us/smartplanet/topics/smarterrailroads/20090511/index.shtml (US) (дата обращения 12.09.12).
4. Электронные устройства электромеханических систем / Ю. К. Розанов, В. В. Соколова. - М. : Академия, 2004. - С. 60-65.
© Рыжова Е. Л., 2012
90
