Средства реализации автоматизированной системы контроля и мониторинга нагрева буксовых узлов

В настоящее время существует множество конструкций детекторов горячих букс, разница между которыми заключается в типе применяемых приемников ИК излучения, устройстве и размещении рабочих камер с оборудованием, способах обработки и передачи информации.

Многолетний опыт эксплуатации данных средств теплового контроля (СТК) показал, что наилучшие результаты могут быть достигнуты при слежении за нагревом букс по нескольким постам контроля, последовательно расположенным на участках безостановочного движения поездов. Это реализуется объединением в сеть установок контроля и передачей информации в структуры более высокой иерархии (централизацией), а также интегрированием в различные системы управления движением. Кроме того, централизация позволяет осуществлять мониторинг и диагностику технического состояния самих установок контроля нагрева букс, поэтому фирмы не ограничиваются созданием и выпуском детекторов перегретых букс, а разрабатывают системы с централизацией данных. Подобным образом выпускают свои системы европейские и американские компании: Signal und Systemtechnik, Siemens Verkehrstechnik, Servo Corporation, Southern Technologies Corporation (STC).

В СССР в широкой практике централизация впервые была внедрена в 1978-1982 гг. при создании системы комплексного контроля подвижного состава ДИСК-БКВ-ЦО, в состав которой входили базовая подсистема контроля нагрева букс ДИСК-Б и функционально зависимые от базовой подсистемы:

• контроля колес ДИСК-К;
• обнаружения волочащихся деталей ДИСК-В;
• централизации и обработки данных ДИСК-ЦО.

Впоследствии вместо системы централизации ДИСК-ЦО, снятой с производства в 1988 г., предприятием «Инфотэкс» (г. Екатеринбург) в 1990-х гг.  была разработана и внедрена новая система централизованного контроля – первая функционально законченная Автоматизированная система контроля подвижного состава (АСК ПС). Система, построенная с использованием периферийных контроллеров (ПК), концентраторов информации (КИ-6 и КИ-6М), а также ПЭВМ,  позволяла выдавать  поездному диспетчеру  и всем  пользователям (станциям, вагонным депо, отделению дороги, управлению дороги) информацию о показаниях СТК типа ПОНАБ и ДИСК. В последующие годы предприятием «Инфотэкс» была выполнена модернизация средств теплового контроля ПОНАБ и ДИСК Комплексами Технических Средств Модернизации (КТСМ-01 и КТСМ-01Д),  а в 2001 г. им же было разработано и принято в эксплуатацию принципиально новое оборудование для контроля нагрева букс – Комплекс Технических Средств Многофункциональный (КТСМ-02).

Отметим, что создание  и апробация КТСМ-02 происходила с использованием результатов всесторонних теоретических и экспериментальных исследований, проводимых «Инфотэкс АТ», ВНИИЖТ и другими организациями.

Непрерывное совершенствование программно-аппаратных средств АСК ПС привело к тому, что к 2006 г. они были внедрены на всех железных дорогах ОАО «РЖД» с включением в сеть всех эксплуатируемых средств теплового контроля буксовых узлов и тормозов. В настоящий момент общее количество установок контроля, входящих в АСК ПС и размещенных по всей России, составляет более 5500 штук. Кроме того, АСК ПС успешно используется в Казахстане, Белоруссии и других странах СНГ.

Рассмотрим основные средства реализации системы контроля и мониторинга на территории России.

Архитектура системы, средства и принципы коммуникации рабочих мест

При разработке системы учитывалась структура организации ОАО «РЖД», поэтому система имеет сетевую иерархическую топологию. В основу иерархии АСК ПС положен наименьший участок – диспетчерский круг управления движением поездов. Несколько участков (диспетчерских кругов) объединяются на уровне отделения дороги или региона управления дорожного центра управления перевозками (ДЦУП). Отделения и регионы управления объединяются на уровне дорог, а централизация дорог осуществляется на уровне ЦУП ОАО «РЖД». Таким образом, структура распределенной АСК ПС, приведенная на рис.1, строится с выделением следующих уровней:

• 1 уровень – Линейный (измерительный: подсистема установок теплового контроля на перегоне и подсистема концентрации данных от установок);
• 2 уровень – Дорожный (информационный);
• 3 уровень – Центральный (информационный).

Рис. 1. Структурная схема автоматизированной системы контроля подвижного состава (АСК ПС)

Рассмотрим назначение и состав технических и программных средств каждого уровня распределенной системы.

1 уровень (линейный) включает в себя концентраторы информации (КИ-6М), которые являются узлами сети передачи данных с линейных пунктов (СПД ЛП). К КИ-6М могут подключаться:

• средства теплового контроля КТСМ-01Д, КТСМ-02 и др. (обеспечивается подключение до четырех устройств);
• периферийный контроллер ПК-06: осуществляет ввод информации, полученной от системы автоматической идентификации подвижных единиц САИД «ПАЛЬМА» (на рис. 1 не показаны).

Данные от измерительной подсистемы (установок КТСМ или периферийных контроллеров) поступают в СПД, которая предназначена для организации информационного обмена между территориально рассредоточенными источниками и потребителями информации с максимально эффективным использованием каналов и линий связи ОАО «РЖД».

2 уровень (региональный, или дорожный) представляет собой локальную вычислительную сеть (ЛВС), содержащую:

• Центральный Концентратор Информации (ЦКИ), обеспечивающий информационный обмен между системой передачи данных и сервером баз данных;
• АРМ «Администратор СПД ЛП», который осуществляет непрерывную диагностику (мониторинг) всех устройств, включенных в СПД ЛП, а так же каналов связи;
• АРМы Центрального пункта контроля (ЦПК), использующие информацию с сервера; их максимальное число и размещение определяется возможностями ЛВС.

3 уровень (центральный) также представляет собой ЛВС, содержащую:

• сервер баз данных АСК ПС, обеспечивающий обработку и накопление информации с дорожных серверов;
• АРМы ЦПК, использующие информацию с сервера.

В общем случае комплекс технических средств АСК ПС представляет собой распределенную структуру специализированных аппаратно-программных комплексов, объединенных единой. АСК ПС обладает широкими эксплуатационными возможностями и может использоваться в различных режимах:

• автономно;
• совместно с другими системами контроля, например, с автоматизированной системой контроля устройств СЦБ (АСК СЦБ) с использованием общей СПД;
• в качестве подсистемы в составе автоматизированной системы диспетчерского контроля (АСДК).

Использование АСК ПС обеспечивает создание условий перехода от системы критической диагностики перегретых букс, т.е. регистрации необходимости экстренного принятия решения (отцепки вагона), к организации мониторинга нагрева букс. АСК ПС может быть адаптирована для систем подобного назначения, созданных другими производителями, а также иных систем диагностики подвижного состава.

Прикладное программное обеспечение состоит из АРМ оператора ЦПК и АРМ линейного поста контроля (ЛПК). По реализуемым функциям АРМы аналогичны и обеспечивают решение следующих задач:

• автоматический прием информации от средств контроля (СК) подвижного состава типа КТСМ-01, КТСМ-01Д; КТСМ-02 и др.;
• автоматическое формирование сигналов тревог и оповещения при перегреве букс (информация от средств теплового контроля) или дефектов подвижного состава (информация от средств контроля неисправностей);
• просмотр и анализ архивов сохраненной информации в интерактивном режиме;
• контроль и учет выполнения регламентных работ по обслуживанию диагностических КТСМ;
• выдачу архивных и статистических данных о работе технических средств контроля подвижного состава;
• автодиагностику оборудования перегона, станции и каналов связи;
• изменение параметров настройки пороговых значений «Тревог».

Программные продукты АРМ ЦПК и АРМ ЛПК зарегистрированы в регистре сертификации алгоритмов и программ (РС ФЖТ).

Технические средства АСК ПС для регистрации нагрева букс

С 2003 г., как уже упоминалось выше, для контроля нагрева букс российские железные дороги начали оснащаться КТСМ-02. Комплекс реализует современную концепцию интеграции средств контроля и измерения различного назначения,  что обеспечивает возможность построения многофункциональной системы контроля технического состояния подвижного  состава. Система может состоять из подсистем обнаружения перегретых букс, неисправностей тормозного оборудования, заклиненных колесных пар, волочащихся деталей, дефектов колес, сползания корпусов букс и др., основанных на различных физических принципах. Напольное оборудование подсистем с первичными преобразователями (датчиками и дополнительными устройствами) размещается в зависимости от назначения и контролируемых параметров на насыпи – в балластной призме верхнего строения пути, на шпалах или на подошвах рельсов.

Рис. 2 .Структурная схема системы контроля подвижного состава на базе комплекса КТСМ-02

Рис. 3. Приборная стойка перегонной части комплекса КТСМ-02

Главным элементом КТСМ-02, (рис. 2, где Д1…Д4 – датчики прохода осей; ДТНВ – датчик температуры наружного воздуха; РЦ – рельсовая цепь; СПД – сеть передачи данных; ДСП – дежурный по станции; КИ-6М – концентратор информации; RS-232, 485 – интерфейсы связи с КИ-6М), выполняющим все интеллектуальные функции, является периферийный контроллер ПК-05, который совместно с блоком коммутации  БСК-1  устанавливается  в стойку,  размещенную на перегоне в помещении поста контроля (рис. 3), и соединяется с напольным оборудованием комплекса системой кабелей и соединительных коробок.

Для взаимодействия КТСМ-02 с подсистемами контроля, как это показано на рис. 2, используется локальная сеть на основе протокола CAN, соответствующего стандарту ISO 11898.

Для сопряжения комплекса с СПД на базе КИ-6М в КТСМ-02 использован стык, обеспечивающий непосредственную связь или связь через модем. Для сопряжения комплекса с СПД могут быть использованы стандартные интерфейсы RS-232 и RS-485. При этом названные интерфейсы могут быть использованы для каскадного подключения другого комплекса КТСМ-02 или КТСМ-01Д. Информация о нагреве букс передается от постового оборудования на ЛПК (станцию) оператору, у которого установлено АРМ ЛПК. В случае повышенных показаний нагрева букс, помимо экранной информации, производится звуковой сигнал и голосовое оповещение с помощью подсистемы речевого оповещения (ПРОС). Информация о нагреве букс поступает также дальше (выше) по иерархии в СПД.

В режиме контроля поезда комплекс автоматически осуществляет:

• нумерацию поездов в диапазоне от 1 до 200;
• счет подвижных единиц в поезде;
• счет осей в каждом вагоне (до 32 осей);
• счет общего количества осей в поезде по каждому датчику прохода осей (до 5000 осей);
• измерение скорости прохода каждого вагона по участку контроля в диапазоне от 5 до 250 км/час.

Регистрацию нагрева букс осуществляет подсистема выявления дефектов букс вагонов в движущихся поездах КТСМ-02Б,  которая  предназначена для использования в составе комплекса технических средств многофункционального КТСМ-02Б совместно с техническими и программными средствами автоматизированной системы контроля подвижного состава (СПД, АРМ ЛПК). Выявление дефектов производится путем бесконтактного считывания и анализа теплового излучения буксовых узлов в нижней части корпуса буксы.

Рис. 4. Схема сканирования буксового узла приемником инфракрасного излучения напольной камеры КНМ-5 (камера условно изображена прозрачной) при проходе поезда

Конструкция подсистемы состоит из блока управления напольными камерами (БУНК), двух напольных малогабаритных камер КНМ-05, устанавливаемых на подошве рельса, как показано на рис. 4, а также комплекта кабелей и соединительных коробок. БУНК устанавливается в стойке базового комплекса и подключается к блокам БСК, ИБП и ПК базового комплекса соединительными кабелями.

Напольные камеры предназначены для приема сигнала теплового излучения, его усиления, нормирования, преобразования в цифровой код и передачи результатов преобразования в БУНК для обработки. Связь камеры с БУНК осуществляется по последовательному цифровому интерфейсу.

Средства математического моделирования для совершенствования контроля и мониторинга букс

Объединение установок контроля  в единую сеть АСК ПС позволяет осуществлять мониторинг нагрева буксы по изменению местоположения и по времени. Непрерывное наблюдение позволяет формировать огромную выборку показаний нагрева букс, что является основой для статистической обработки и построения на этой основе эмпирических математических моделей поведения буксового узла. На основе данных моделей устанавливаются и апробируются оптимальные пороговые значения тревожной сигнализации букс, что обеспечивает при эксплуатации системы минимальное количество задержек поездов по нагреву букс и поддержание эффективности транспортного потока.

Кроме статистических, используются для совершенствования контроля букс и другие модели. Разработана диагностическая детерминированная модель. Математическая формулировка диагностической модели в общем виде записывается следующим образом:

z(t) = A (x1, x2…xn),

где z(t) – тепловой сигнал на приемнике ИК излучения, выраженный зависимостью принятой мощности излучения от буксы в зоне сканирования приемником; t – время; A – оператор преобразования (перевода) системы из состояния в состояние; x1, x2…xn – параметры системы: скорость движения вагона, загрузка вагона, характеристики и геометрические неровности пути; физические и геометрические характеристики вагона, температура окружающей среды, коэффициенты трения на поверхностях подшипников, характеристики пропуска средой излучения, оптические характеристики принимающей системы и т.д.

Рассмотрим диагностическую модель бесконтактного теплового контроля буксовых узлов, которую для удобства представляем в виде следующих блоков – моделей (рис. 5):

1. Модель движения единицы подвижного состава для оценки перемещений и силового режима работы буксового узла.
2. Термомеханическая модель функционирования буксового узла.
3. Модель сканирования буксы подвижной единицы приемником ИК излучения при проследовании поезда.
4. Моделирование ИК излучения с зоны сканирования, передачи энергии на приемник ИК излучения и определения нагрева буксы.
   
   

   Рис. 5. Схема виртуальной диагностической модели бесконтактного теплового контроля

Первые два блока рассмотренной структуры диагностической модели относятся к функционированию объекта теплового контроля и могут быть названы нами условно «виртуальная букса», третий и четвертый блоки относятся к моделированию работы СТК и могут быть условно названы «виртуальный прибор».

Рассмотрим пример практического использования модели. Статистический анализ показаний систем теплового контроля КСТМ-01 на буксы скоростных поездов типа «Невский экспресс» на тележках безлюлечного типа показал, что уровни нагрева на нечетных осях меньше, чем на четных осях, в среднем в два раза. При  этом обычная средняя разница уровней нагрева между осями на типовых пассажирских тележках составляет не более 10%. Таким образом, проблема состояла в том, что на данных тележках по четным осям возможны ложные показания СТК на работоспособные подшипники, а по нечетным осям – недооценка перегретых подшипников.

После аэродинамического и теплового расчетов с использованием трехмерных компьютерных моделей тележек скоростного поезда «Невский экспресс» определялась траектория сканирования каждой буксы тележки приемником ИК излучения аппаратуры КТСМ-01 и КТСМ-02 (напомним, что в КТСМ-01 приемник инфракрасного излучения имеет сложную пространственную ориентацию относительно корпуса буксы, обусловленную расположением напольной камеры на насыпи железнодорожного пути, а в КТСМ-02 приемник ориентирован на нижнюю поверхность буксы (см. рис. 4). По полученной траектории по корпусу буксы и рассчитанным ранее тепловым полям на корпусах букс определялась, согласно положениям модели, траектория сигнала.

Рассчитанные осциллограммы сигналов для буксы на первой и второй осях тележки наглядно показывают, что для ориентации КТСМ-01 сигнал с буксы, расположенной на первой оси тележки по амплитудному значению (принимаемому в качестве оценочного), в 2,05 раза меньше, чем с буксы, расположенной на второй оси тележки. Это происходит, как стало понятно при моделировании, за счет неравнозначного обдува (охлаждения) букс на первой и второй осях, а также из-за считывания теплового сигнала при данной ориентации приемника с разных зон буксовых узлов, нагретых неодинаково.

При контроле по нижней поверхности буксы (ориентация КТСМ-02) отличие амплитудных значений по буксам на первой и второй оси менее существенное (1,21 раза), как показывают расчетные осциллограммы сигнала. Это связано с тем, что контроль производится по одной и той же зоне поверхности букс и различие в сигналах вызвано в основном аэродинамическими причинами. Результаты расчетов подтверждаются в эксплуатации, например, статистические распределения уровней тепловых сигналов от КТСМ-01 и КТСМ-02 показывают, что значения наиболее вероятных уровней показаний по осям поезда «Невский экспресс» для КТСМ-02 различаются в 1,3 раза и в то же время  для  КТСМ-01 это различие составляет 2,1.

Изложенные результаты исследований явились обоснованием для оперативной установки ОАО «РЖД» комплексов КТСМ-02 взамен КТСМ-01 на скоростном участке Санкт-Петербург – Москва, а также на всех направлениях обращения скоростных вагонов Тверского вагоностроительного завода: Москва – Киев; Москва – Нижний Новгород; Москва – Северодвинск; Москва – Красноярск и Москва – Адлер.

Одновременно с этим модель использовали для оценки потенциальных возможностей повышения эффективности контроля букс локомотивов современными средствами теплового контроля КТСМ-01Д и КТСМ-02.

Помимо представленной задачи, с помощью диагностической модели решаются следующие вопросы: влияние нагрева колеса при торможении на нагрев буксы и влияние этих процессов на показания при тепловом контроле; зависимость нагрева буксы от скорости движения поезда; идентификация неисправного подшипника по характеру температурных полей; повышение информативности теплового сигнала.

Основные результаты использования автоматизированной системы контроля и мониторинга на дорогах ОАО «РЖД»

Рассмотрим влияние увеличения количества КТСМ и развития АСК ПС на количество браков по буксовому узлу. По данным ОАО «РЖД», браки по буксовому узлу составляют в среднем около 60% всех браков по вагонам. На рис. 6 показана положительная динамика уменьшения в 1999-2007 гг. браков по буксовому узлу при увеличении количества КТСМ в структуре СТК ОАО «РЖД» и соответственно развития систем централизованного контроля АСК ПС.

Рис. 6. Влияние увеличения объема внедрения КТСМ на динамику браков по вагонному хозяйству ОАО «РЖД»

Кроме этого следует отметить, что модернизация комплексами КТСМ-01(01Д) и наращивание объемов внедрения КТСМ-02 позволили к 2011 г. повысить достоверность показаний СТК по сравнению с 2003 г. (в 2003г. было 53% ПОНАБ и ДИСК и 47% КТСМ) с 88,3 до 96,6%.

Модернизация ПОНАБ-3 и ДИСК-БТ с использованием КТСМ, внедрение КТСМ-02 и АСК ПС позволили существенно снизить количество задержек поездов в пути следования и отцепок вагонов из-за перегрева буксовых узлов. Это видно (рис. 7) по уменьшению относительных величин задержек поездов и отцепок поездов по годам при увеличении доли КТСМ в общем количестве СТК.

Рис. 7.  Показатели работы СТК по годам внедрения КТСМ и АСК ПС (общие данные учета по форме ВО-19)

Как уже говорилось выше, внедрение АСК ПС позволило перейти от критической диагностики, т. е. контроля предельного состояния, к мониторингу состояния буксы. Исследования, проведенные на Свердловской железной дороге с данными об отцепках вагонов, например, с нарушением торцевого крепления, еще раз подтвердили, что большинство отцепок (63%) производится по предаварийным критериям, учитывающим историю нагрева в АСК ПС «Тревога 0» с повтором, «Тревога – Профилактика», «Тревога – Динамика» (рис. 8).

Рис. 8. Соотношение типов «Тревог» в показаниях на буксы с нарушением торцевого крепления на Свердловской железной дороге

Благодаря использованию дифференцированных пороговых значений контроля буксового узла по нагреву, исследуемые отцепки по нарушению торцевого крепления сосредоточились в большей степени на пунктах технического обслуживания – ПТО (85%) и пунктах опробования тормозов – ПОТ (9%). Это позволяет предотвратить выход на перегон поездов с неисправностями буксовых узлов, угрожающими безопасности движения, и исключить необратимые разрушения подшипников в пути следования.