Навигация
Поиск
Разработки
Система мониторинга состояния тяговых электродвигателей электровоза на базе устройств National Instruments.

В настоящее время в сфере железнодорожного транспорта остро стоит проблема контроля за состоянием и работой тяговых коллекторных электродвигателей (ТЭД), которыми оснащена большая часть электровозов России. Для объективной оценки работы ТЭД необходимо иметь информацию о токе, частоте вращения и состояния коллекторно-щеточного узла (КЩУ). Однако, сейчас единственным показателем работы ТЭД является измеряемая величина тока якоря, но этот параметр не может в полной мере характеризовать состояние двигателей.

Для решения этой проблемы авторами разработана система мониторинга состояния тяговых электродвигателей электровоза. Эта система представляет собой комплекс устройств и программных средств, непрерывно контролирующих состояние коллекторно-щеточного узла и частоту вращения ТЭД. Источником данных об искрении и частоте вращения является устройство контроля искрения (УКИ) ТЭД электровоза[1], разработанное на кафедре «Электрические машины и аппараты» Томского политехнического университета.

УКИ разработан для реализации способа оценки искрения машин постоянного тока [2]. Сущность этого способа заключается в измерении поперечного тока разрезной щетки, возникновение которого обуславливается протеканием разных по величине токов по отдельным её частям. Направление и величина этого тока в процессе коммутации определяется суммарной ЭДС, наводимой в коммутирующей секции. Поэтому плотности тока под «сбегающими и набегающими» частями щетки будут существенно различаться, что приводит к искрению того или иного края щетки. Доказано, что интенсивность искрения зависит от величины поперечного тока [3].

Устройство контроля искрения представляет собой измерительную систему, состоящую из чувствительного, преобразующего и регистрирующего элементов.

В качестве чувствительного элемента применяется щетка-датчик, выполненная на основе штатной разрезной щетки данного типа двигателя. Преобразующий элемент представляет собой измерительный трансформатор [4], включенный в цепь протекания поперечного тока разрезной щетки.

Информация, поступающая с измерительной системы в процессе работы двигателя, представляет собой аналоговый непрерывный сигнал переменной частоты и амплитуды, изменяющихся в зависимости от частоты вращения якоря и интенсивности искрения на коллекторе ТЭД.

Регистрирующий элемент обрабатывает информацию, получаемую с выхода датчика. Его задача заключается в оцифровке сигнала и последующем его преобразовании в баллы искрения по ГОСТ 183-74.

В зависимости от частоты вращения якоря ТЭД частота и амплитуда сигнала колеблется в широких пределах. Так для ТЭД ТП2К1 частота сигнала изменяется от О до 10 кГц, а амплитуда от 0 до 10В (в аварийных режимах амплитуда может достигать значения 15В).

Принципиальная схема установки системы мониторинга на электровоз представлена на рис. 1. Система мониторинга состоит из измерительных устройств (УКИ1...УКИ4), непрерывно регистрирующих состояние искрения 4-х ТЭД одной секции электровоза. Оцифрованный сигнал каждого из 4-х датчиков, входящих в состав устройства УКИ, представляет собой массив мгновенных значений напряжений. Для практического применения наиболее удобно пользоваться действующими значениями этих напряжений. Полученный массив действующих значений также должен быть пересчитан в баллы коммутации, определяемые по ГОСТ 183-74. Линейная калибровка массива значений действующего напряжения осуществляется путем введения тарировочного коэффициента. Этот коэффициент определяется при первичной тарировке УКИ для каждого типа двигателя. После вышеописанных преобразований массив данных уже представляет собой информацию об искрении ТЭД.

Обработка и анализ сигнала выполняются в соответствии с разработанным алгоритмом в цифровой форме [5]. Реализация алгоритма обработки выполнена на базе средств и устройств компании National Instruments. Применение продукции этой компании обусловлено простотой программирования и высокой прикладной эффективностью. Структура системы мониторинга представлена на рис.2. В качестве аналого-цифрового преобразователя выбрано устройство Nl USB-9201. Частотный спектр сигнала УКИ позволяет использовать это устройство для анализа состояния коллекторно-шеточного узла (КЩУ) четырех ТЭД секции электровоза.

Также, УКИ может служить источником информации о частоте вращения, а контроль за этим параметром позволит своевременно выделять момент начала боксования электровоза.

Для решения этой задачи необходимо иметь информацию о частоте вращения каждой колесной пары секции электровоза. В настоящее время частота вращения определяется с помощью оптического энкодера, установленного на оси. Этот прибор обеспечивает определение Частоты вращения с разрешающей способностью до 72 меток на один оборот, поэтому установленные на электровозах системы предотвращения боксования способны устранять его только после возникновения боксования.

Исследования показали, что частота напряжения во вторичной обмотке УКИ (рис. 3) пропорциональна частоте вращения двигателя и количеству коллекторных пластин. Зависимость описывается уравнением:

Определение частоты сигнала УКИ производится программными средствами NI LabVIEW по разработанному алгоритму.

Аналоговое напряжение с выхода УКИ подается на вход АЦП, преобразуется в цифровую форму, передается по последовательной шине USB в ПК и подвергается обработке. Обработка включает в себя быстрое преобразование Фурье, выделение частоты основной гармоники, пересчет частоты сигнала в частоту вращения якоря двигателя. Далее информация о частоте вращения двигателя используется для определения момента начала боксования, по которой система управления электровозом вырабатывает упреждающие управляющие команды для предотвращения боксования.

Описанная выше система мониторинга ТЭД в качестве вычислительного модуля использует персональный компьютер, что не всегда удобно на борту электровоза. Современная электронная промышленность предоставляет возможность замены ПК на специальное вычислительное устройство, одним из которых может быть цифровой сигнальный процессор (ЦСП) NI Speedy 33 (рис.5). Данный ЦСП позволяет выполнить весь алгоритм обработки сигнала, от преобразования в цифровую форму до выдачи результата вычисления. Наличие двухканального АЦП позволяет одновременно обрабатывать сигналы с двух УКИ. Миниатюрные светодиоды, расположенные на печатной плате могут быть использованы для индикации режимов работы прибора Цифровые порты ввода вывода можно использовать для связи ЦСП с другими элементами автоматики.

Продолжение...

Контакты
an image
НПП Центральная лаборатория автоматизации измерений
111250 Москва, Энергетическая улица, д.7, офис 311
(495) 134-03-49
E-mail: Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.

Автоматизированная система измерения параметров дизельных двигателей типа В-46

1. Введение

В научно-исследовательском институте автоматизации экспериментальных исследований Национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт" (НИИ АЭИ) разработана и сдана в эксплуатацию автоматизированная система измерения параметров дизельных двигателей типа В-46.

Для управления системой, сбора, обработки и сохранения информации используется персональный компьютер (ПК) с разработанным в НИИ АЭИ программным обеспечением (ПО). Для связи с ПК используется интерфейс RS-232, его данные с помощью разработанного в НИИ АЭИ интерфейсного блока преобразовываются в стандарт интерфейса RS-485, который используется для обмена сообщениями с остальными блоками автоматизированной системы.

2. Результаты работы

Автоматизированная система обеспечивает автоматическую регистрацию измерительной информации, автоматическую обработку ее по соответствующим программам (при необходимости), хранение накапливаемой измерительной информации и печать протокола испытаний дизеля согласно утвержденной заказчиком форме.

Параметры дизеля, измеряемые и контролируемые системой, диапазон измерений этих параметров и погрешности их измерений представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры, измеряемые и контролируемые автоматизированной системой.

Наименование параметра Диапазон измерения значения Абсолютная погрешность измерений
1 2 3
Вращающий момент, кгс-м 30...400 ±1,5
Максимальная мощность, л.с. 50...900 ±10
Частота вращения коленного вала, об/мин 400...2500 ±10
Неравномерность вращения коленвала, об/мин ±15 ±10
Температура масла на входе дизеля, °С 0...80 ±1
Температура масла на выходе дизеля, °С 0...130 ±1
Температурный перепад масла между входом и выходом, °С 0...50 ±1
Давление масла в главной магистрали, кгс/см2 0...16 ±0,4
Давление масла в распределительных валах обоих блоков, кгс/см2 0...6,0 ±0,03
Разность давления масла в левом и правом блоках, кгс/см2 0..Д5 ±0,03
Удельный расход масла, г/ л.с.ч 1,0...15,0 ±0,2
Температура воды на входе, °С 0...80 ±1
Температура воды на выходе правого блока, °С 0...120 ±1
Температура воды на выходе левого блока, °С 0...120 ±1
Температурный перепад между входом и выходом,°С 0...15 ±1
Разница температур между правым и левым блоками, °С 0...5 ±1
Удельная затрата горючего, г/ л.с.ч 150...200 ±1
Температура топлива перед НТП, °С 0...50 ±1
Давление топлива после НТП, кгс/см2 0...6 ±0,14
Давление избыточного наддува, кгс/см2 0...1 ±0,015
Температура выпускных газов в 12-ти цилиндрах, °С 0...900 ±5
Температура окружающего воздуха, °С 0...40 ±1
Атмосферное давление, мм рт. ст. 630...800 ±2
Относительная влажность воздуха, % 40...100 ±5
Давление газов в картере, мм вод. ст. 10...100 ±10
Ток в цепи электрогенератора, А 0...250 ±2,5
Напряжение в цепи электрогенератора, В 0...29 ±1

Система сохраняет работоспособность при условиях окружающего воздуха (атмосферное давление, температура, влажность, концентрация паров масла и топлива), которые не превышают значений, установленных санитарными нормами проектирования промышленных предприятий СН 245-71.

3. Оборудование

Система состоит из следующих блоков (см. рис. 1):

1) блок преобразования интерфейсный - предназначен для преобразования интерфейса RS-232 (использующегося ПК) в RS-485 (использующийся измерительными блоками системы);

2) блок индикации - предназначен для отображения измеряемых и расчетных параметров испытуемого двигателя. Информация на нем динамически обновляется и отражает результаты одного цикла измерения;

3) трех блоков измерительных силы - предназначены для измерения вращательного момента и позволяют получить исходные данные для расчета расходов масла и топлива;

4) блок измерительный давления и параметров электрических сигналов - используются для измерения параметров давления масла, топлива и газов в картере двигателя, а также позволяют контролировать частоту вращения коленвала и электрические параметры в цепи генератора (ток и напряжение);

5) блок измерительный низких температур - позволяет контролировать температуры масла, охлаждающей жидкости и топлива, не превышающие в 130°С;

6) два блока измерительных высоких температур - датчики (всего 12) каждого из них установлены в выхлопных коллекторах каждого из цилиндров двигателя и позволяют контролировать температуру выхлопных газов;

7) блок измерительный параметров климата - предназначен для контроля параметров в помещении испытательного отсека. Эти значения используются при расчетах и коррекции измеренных данных;

8) блок питания системы - обеспечивает стабилизацию и развязку питания системы от сети предприятия, что исключает ее влияние на процесс измерения и передачи данных, а также продлевает срок службы ПК и блоков системы.

Структура автоматизированной системы

Рисунок 1 - Структура автоматизированной системы

Все блоки системы выполнены в отдельных герметичных толстостенных алюминиевых корпусах, установлены на виброопоры и заземлены. Кабели, находящиеся на открытых участках, взяты в защитные экраны, ПК управления системой вынесен в служебное помещение, отделенное от испытательного отсека. Таким образом, обеспечено надежное функционирование блоков системы в условиях испытательного участка дизельных двигателей.

Для управления системой в НИИ АЭИ было разработано специализированное программное обеспечение. Главное окно программы (см. рис. 2) условно можно поделить на следующие части:

Главное окно программы

Рисунок 2 - Главное окно программы

1) панель управления программой - на ней расположены основные кнопки управления процессом регистрации и отображения данных измерений (создание нового файла таблицы базы данных, открытие существующей таблицы данных, кнопки ориентации по активной таблице базы данных, кнопка запуска/останова процесса регистрации, кнопки вызова справочной системы и т.д.);

2) мнемосхема испытания двигателя, предназначенная для отображения результата текущего измерения;

3) панель сигнализации состояния блоков;

4) панель статуса программы.

При разработке программного обеспечения принимались во внимание следующие соображения:

1) данная система должна эксплуатироваться персоналом испытательного участка. Ранее все измерения производились с помощью приборов со стрелочным отсчетом, при этом персоналом не использовались средства автоматизации измерений и вычислений. Поэтому было принято решение сделать управление программой максимально наглядным. В основу визуального интерфейса программы была положена мнемосхема испытания двигателя, предоставленная заказчиком и знакомая обслуживающему персоналу. Результаты измерений конкретных параметров выводятся в окна, расположенные непосредственно рядом с изображением соответствующих элементов мнемосхемы;

2) в то же время, программа должна обеспечивать удобство работы со всем массивом измеренных данных. Поэтому результаты измерений представляются еще и в табличной форме, причем переключение между режимами отображения в виде таблицы и мнемосхемы возможно и в процессе измерения;

3) система состоит из нескольких блоков, работающих по интерфейсу RS-485. В процессе одного цикла измерения происходит последовательный опрос блоков. В связи с этим необходимы средства контроля их состояния. Поэтому в нижней части главного окна программы размещены индикаторы работы блоков и строка статуса системы, отображающая конкретные операции, выполняемые нею.

4) само испытание состоит из ожидания выхода двигателя на режим и последующей регистрации данных измерений. Поэтому система может работать в режиме просто отображения информации и в режиме записи в базу данных. Кроме того, полученные данные можно просмотреть повторно в виде таблицы или графиков;

5) во время испытания оператор занят регулировкой режима работы двигателя, поэтому элементы интерфейса выполнены так, чтобы обеспечить максимальную наглядность и скорость работы с программой. Так, основные кнопки управления сделаны достаточно крупными, использовано цветовое выделение данных;

6) результаты испытаний двигателя должны быть оформлены в виде стандартного отчета, но время испытаний конкретного двигателя строго не регламентировано. Поэтому обеспечена возможность прореживания данных, выводящихся при печати отчета, кроме того, программа проводит итоговую обработку данных испытания. С целью же подробного исследования работы двигателя, возможна распечатка детального отчета;

7) в процессе работы программа выполняет достаточно сложную последовательность повторяющихся действий, что означает необходимость создания встроенных алгоритмов диагностики и отладки. В каждом сеансе работы программы на диске создается файл журнала, в который записывается служебная информация о процессах, выполняемых ПО. Для наблюдения за работой отдельных блоков системы разработана панель отладки, отображающая временные параметры взаимодействия блоков и предусматривающая отдельное управление ими. Кроме того, есть возможность просмотра потока символьной информации, передающейся по шине данных.

Работа с программой состоит в следующем. Вначале создается очередная таблица базы данных, затем система инициализируется и происходит циклический опрос блоков. Для удобства пользователя все эти действия выполняются при нажатии кнопки запуска испытания.

В процессе одного цикла измерения вначале на все блоки одновременно подается команда запуска измерения, а затем происходит последовательный опрос блоков. Результаты опроса регистрируются в базе данных, отображаются на мнемосхеме и высылаются на блок индикации, расположенный в поле зрения оператора испытательного участка и дублирующий информацию, имеющуюся на экране ПК.

В случае если какой-то из блоков системы ответил некорректно, запрос к нему повторяется. Блок, не ответивший на протяжении трех циклов измерения, считается неработающим, о чем сообщается пользователю. Пользователь сам принимает решение в этом случае. Он может продолжить работу дальше, либо переинициализировать систему.

В процессе испытания двигателя могут возникать аварийные ситуации - может снизиться давление в масляной магистрали и т.д. Поэтому, в системе предусмотрена также и аварийная сигнализация - в случае, если датчики регистрируют параметры, выходящие за пределы допустимых значений, то включается предупреждающая сирена.,

Для удобства работы оператора, в поле его зрения находится блок индикации, информация на котором обновляется синхронно с главным окном программы и дублирует результаты текущего измерения. Блок индикации оборудован также кнопочным пультом, позволяющим задействовать основные функции ПО.

Таким образом, оператор необязательно должен работать с ПО только пользуясь экраном и клавиатурой ПК. Это позволяет ему выполнять обычную для данной работы последовательность действий, не отвлекаясь от процесса испытания двигателя.

ПО выполнено в виде проекта, реализованного с помощью интегрированной среды разработки Borland C++ 5.0. Исходный код проекта написан на языке C++.

Данное ПО работает на компьютерах с операционной системой Windows версий 98, Me, 2000, или ХР. ПО для микроконтроллеров блоков системы написано в среде Keil uVision v 2.40.

4. Преимущества технологий National Instruments

Основным преимуществом технологий National Instruments, что и определило использование их в разрабатываемой системе, является то, что применение плат GPIB фирмы National Instruments позволяет создать на базе персонального компьютера полнофункциональный контроллер системы, обеспечивающий ввод, вывод и обработку измерительной информации, а также управление всеми приборами системы.

Очень удобным является то, что вместе с платой фирма предоставляет все необходимые драйвера для операционных систем, а также множество примеров создания программного обеспечения на языках C++, Паскаль и Бейсик. И хотя ПО системы написано на языке С#, не составило особого труда адаптировать эти примеры к данному языку.

Несомненно, полезным приложением является также инструментальная среда разработки LabVIEW, предлагающая обширные библиотеки для построения приложений, способных функционировать под управлением типовых операционных систем.

Следует также отметить удобный в пользовании и информационно-насыщенный сайт фирмы National Instruments, позволяющий не только ознакомиться со всем спектром ее продукции, а также и найти информацию по ее применению и загрузить необходимые драйверы.

Литература

1. John М. Pieper. Automatic Measurement Control. A tutorial on SCPI and IEEE-488.2. - Rohde & Schwarz Gmb & Co. KG. - Muenchen

2. Калибратор-вольтметр универсальный В1-28. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - Часть 1. - 308 с.

3. Калибратор переменного напряжения В1-29. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - Часть 1.-141 с.

4. Частотомер электронно-счётный вычислительный 43-64/1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - Часть 1.- 140 с.

5. Millivoltmeter Rhode Schwarz URV 5. Manual and Documentation.

6. Nano Volt / Micro Ohm Meter HP34420A. User's Guide. - 296 p.

7. HP3458A Multimeter. Manual Set. - Hewlett Packard Company .

..............................................................................................................................