Классический регулятор Уатта для паровой машины
Примеры систем автоматического управления
Паровая машина, созданная Уаттом, характеризуется практически постоянным крутящим моментом на выходном валу, не зависящим от скорости вращения вала. В результате при повышении нагрузки машина может остановиться, а при уменьшении нагрузки скорость вращения вала может превысить допустимую. Это обстоятельство приводит к необходимости постоянного регулирования подачи пара в машину так, чтобы поддерживать скорость вращения вала машины примерно постоянной независимо от нагрузки на валу.
Чтобы устранить необходимость ручного регулирования скорости вращения вала машины, Уатт создал автоматический регулятор скорости вращения вала, упрощенная принципиальная схема которого показана на рис. 4.
Пар, необходимый для работы машины, подаётся по трубопроводу 1 через клапан 2, с помощью которого можно изменять расход пара, поступающего в машину. От расхода пара зависит скорость вращения вала машины (при прочих равных условиях). Паровая машина вращает выходной вал 10, соединённый с нагрузкой, с угловой скоростью w(t). При изменении нагрузки на вал скорость его вращения произвольно изменяется.
Для поддержания скорости вращения вала неизменной служит центробежный регулятор скорости вращения. Через зубчатую передачу 11 вращение вала 10 машины передается на чувствительный элемент регулятора. Чувствительный элемент состоит из вертикального валика 7, вращающегося в подшипнике 9, и центробежных грузов 4, закреплённых на концах рычагов 5. С помощью шарнира 6 рычаги 5 соединены с валиком 7 чувствительного элемента. Шарнир 6 позволяет рычагам 5 поворачиваться в вертикальной плоскости. При повороте рычагов изменяется угол a между рычагом и вертикальным валиком.
При повороте рычаги 5 через промежуточные тяги 8 передвигают муфту, скользящую по валику 7. Если валик 7 не вращается, то под действием силы тяжести центробежных грузов рычаги 5 опускаются и занимают положение, близкое к вертикальному. Муфта в этом случае находится в крайнем нижнем положении. При вращении валика 7 возникает центробежная сила, заставляющая грузы 4 расходиться в стороны. Чем выше скорость вращения, тем больше центробежная сила и тем сильнее расходятся грузы.
Угол a будет тем больше, чем выше скорость вращения вала паровой машины. Увеличение угла a приводит к перемещению скользящей муфты вверх. Положение муфты по вертикали будет определяться скоростью вращения вала паровой машины. Таким образом, чувствительный элемент представляет собой механический центробежный датчик скорости (тахометр). Входом для датчика будет угловая скорость вращения вала машины w(t), а выходом – перемещение x(t) муфты по вертикали.
Вертикальные перемещения муфты с помощью рычага 3 передаются клапану 2, изменяющему подачу пара в машину. Положение клапана (перемещение y(t)), таким образом, будет зависеть от скорости вращения вала машины.
При установившемся вращении вала 10 машины центробежные грузы 4 занимают определённое положение, обусловленное номинальной скоростью вращения вала. При изменении скорости вращения вала машины, вследствие, например, изменения нагрузки, центробежная сила, действующая на грузы 4, также изменится и грузы переместятся в новое положение.
При этом переместится скользящая муфта. При увеличении скорости вращения вала муфта будет перемещаться вверх, а при уменьшении — вниз. Движение муфты передаётся клапану 2, который будет уменьшать подачу пара в машину при увеличении скорости вращения её вала 10 и увеличивать подачу пара при уменьшении скорости вращения вала.
При уменьшении угловой скорости вращения грузы 4 сходятся и открывают клапан 2, увеличивая подачу пара в машину, что восстанавливает исходное значение угловой скорости вращения.
В результате все изменения скорости вращения вала машины вследствие внешних причин будут компенсированы изменением подачи пара в машину. Скорость вращения вала машины при этом будет оставаться примерно постоянной, независимо от нагрузки на вал.
Объектом управления в рассматриваемой системе является паровая машина, состояние которой определяется скоростью вращения её вала. Скорость w(t) вращения вала – выходная или управляемая величина паровой машины.
Целью управления паровой машиной является стабилизация её выходной величины (скорости вращения вала). Нагрузка на вал машины, изменяющаяся непредсказуемым образом, будет нарушать требуемое состояние паровой машины, изменяя скорость вращения вала нежелательным образом.
Нагрузку можно рассматривать как возмущение — внешнее воздействие, изменяющее управляемую величину объекта управления нежелательным образом.
Для изменения состояния паровой машины (скорости вращения её вала) нужно изменить подачу пара в машину. При увеличении подачи пара скорость вращения вала будет увеличиваться. Расход подаваемого в машину пара является управляющим воздействием на паровую машину. Управляющее воздействие формируется устройством управления (регулятором скорости вращения).
Регулятор скорости вращения включает: центробежный чувствительный элемент (центробежный датчик скорости вращения вала), клапан, изменяющий расход подаваемого в машину пара (исполнительный механизм), и промежуточный рычаг 3.
Рычаг 3 определяет связь между изменением скорости вращения вала машины и изменением подачи пара в машину, т.е. выполняет важную функцию задания закона управления. Таким образом, в рассматриваемом случае рычаг реализует логическое устройство регулятора.
Перечисленные компоненты устройства управления являются типовыми для построения любого устройства управления (регулятора). Рассмотренная схема регулятора может использоваться для регулирования скорости вращения других машин и двигателей. При этом компоненты регулятора могут быть реализованы с использованием самых разнообразных технических решений.
На рис. 5 показана упрощенная обобщённая схема регулирования скорости вращения вала некоторого двигателя. Скорость вращения воспринимается датчиком скорости (тахометром) и преобразуется в измерительный сигнал, поступающий в логическое устройство управление, которое на основе оценки состояния объекта управления определяет необходимое управляющее воздействие. Управляющее воздействие подаётся на исполнительный механизм, который имеет в своём составе регулирующий подачу рабочего тела или топлива клапан и его привод, обеспечивающий необходимые перемещения клапана.
Система обеспечивает автоматическую стабилизацию скорости вращения выходного вала двигателя независимо от нагрузки на валу. Регулирование происходит за счет соответствующего изменения подачи топлива (или рабочего тела) в двигатель. Подобные системы используются для двигателей внутреннего сгорания, для газовых турбин (например, реактивный двигатель самолёта, для гидравлических турбин и др.).
Система автоматического регулирования скорости вращения двигателя
Министерство
образования Российской Федерации
Кафедра
автоматики и телемеханики
Система
автоматического регулирования скорости вращения двигателя
Курсовая
работа по дисциплине
“Моделирование
систем управления ”
Выполнил студент
гр. 220191 Плакидин А.С.
.
Предварительное исследование САР и составление функциональной схемы
.
Сигнальный граф САР
.
Математическая модель САР в виде системы дифференциальных уравнений
.1
Составление исходной системы уравнений
.2
Линеаризация системы дифференциальных уравнений
.3
Запись системы линейных дифференциальных уравнений с помощью передаточных
функций
.4
Представление линейной математической модели САР в виде взвешенного сигнального
графа и структурной схемы
.
Контурные и сквозные передаточные функции САР
.1
Нахождение главного оператора САР с помощью формулы Мейсона
.2
Нахождение контурной передаточной функции САР с помощью формулы Мейсона
.3
Нахождение главного оператора САР с помощью правил преобразования структурной
схемы
.4
Нахождение контурной передаточной функции САР с помощью правил преобразования
структурной схемы
автоматический скорость
двигатель граф
Для обеспечения нормального хода различных
технологических и производственных процессов необходимо, чтобы величины,
характеризующие эти процессы, удовлетворяли определенным условиям: оставались
постоянными или изменялись в соответствии с определенным законом.
Создание условий, обеспечивающих необходимый
режим, называется управлением. Управление может быть ручным или автоматическим.
При ручном управлении воздействие на управляющий
орган осуществляет человек. Он наблюдает за отклонением процесса от требуемого,
и воздействует в зависимости от этого отклонения на управляющий орган так,
чтобы процесс удовлетворял заданным требованиям.
При автоматическом управлении воздействие на
управляющий орган осуществляет специальное управляющее устройство. В этом
случае процесс управлении называется регулированием, а управляющее устройство —
автоматическим регулятором.
Автоматический регулятор вместе с регулируемым
объектом составляют систему управления
В данной работе проведен анализ системы
автоматического регулирования уровня жидкости в ванне.
В первом разделе рассмотрена структура САР,
указаны ее основные элементы и построена функциональная схема системы, и дано
описание принципа ее функционирования.
Во втором разделе изображена структура
математической модели САР в виде сигнального графа. В третьем разделе построена
математическая модель САР в виде системы линейных дифференциальных уравнений,
взвешенного сигнального графа и структурной схемы.
В четвертом разделе с помощью формулы Мейсона и
структурных преобразований найдены некоторые контурные и сквозные передаточные
функции САР.
Предварительное исследование САР и составление
функциональной схемы
Рис. 1.1. Принципиальная схема САР
скорости вращения двигателя.
) В данной системе (рис. 1.1)
объектом управления является электрический двигатель постоянного тока,
обозначенный на схеме буквой Д.
Управляемая величина в данной
системе это скорость вращения вала двигателя Д:
Управляющим воздействием является
напряжение
) Измерительным устройством
управляемой величины в данной системе является тахогенератор ТГ (рис. 1.1).
Тахогенератор представляет собой обычный генератор, вал которого подсоединен к
валу двигателя Д. В результате тахогенератор вырабатывает напряжение
) Задающим воздействием в данной
системе является напряжение
) В данной схеме сравнивающие
устройство в явном виде отсутствует. Сигнал рассогласования
) Усилительным устройством в данной
САУ является предварительный усилитель У и генератор Г, представляющий собой
усилитель мощности.
) Возмущающими воздействиями в
данной системе являются: напряжение возбуждения обмотки тахогенератора
;
напряжение, выдаваемое постоянным источником; напряжение возбуждения обмотки
двигателя
; момент
милы сопротивления
; скорость
вращения вала генератора
) Корректирующее устройство в данной
САУ отсутствует.
Задача регулятора состоит в том,
чтобы поддерживать число оборотов двигателя Д в заданных пределах при изменении
нагрузки. Нагрузкой двигателя является момент сопротивления на его валу. Для
измерения скорости вращения двигателя применяется тахогенератор ТГ, создающий
напряжение Uт, пропорциональное числу оборотов. Напряжение Uо, соответствующее
положению движка потенциометра, определяет заданное значение скорости
двигателя. Напряжение Uрас характеризует отклонение числа оборотов двигателя от
заданного числа оборотов. Генератор Г, входящий в состав системы, представляет
собой усилитель мощности. При неравенстве напряжений Uт и Uо появляется
напряжение на обмотке возбуждения генератора ОВГ, подключенной к выходу
предварительного усилителя У, которое пропорционально разности Uо-Uт. В результате
число оборотов двигателя изменяется так, чтобы рассогласование Uрас
уменьшилось.
Пусть в системе установлено
некоторое задающее напряжение U0, не равное нулю, и двигатель вращается с
соответствующей скоростью. Пусть скорость привода генератора, напряжение
возбуждения двигателя Uвд и тахогенератора Uвт постоянны.
Допустим, что напряжение Uрас равно
нулю. Тогда равно нулю также напряжение на обмотке возбуждения генератора и на
якоре двигателя, следовательно, двигатель не вращается. Однако это противоречит
исходному предположению, что в системе установилась некоторая ненулевая
скорость вращения двигателя. Таким образом, предположение Uрас=0 неверно и
установившаяся ошибка в системе не равна нулю. Следовательно, система является
статической.
Функциональная схема САР:
Рис. 2.2. Функциональная схема САР
скорости вращения двигателя.
2. Сигнальный
граф САР
Для данной САР внешними вершинами
сигнального графа являются напряжения задания U0, снимаемое с движка
потенциометра, скорость привода генератора Wг,
момент сопротивления нагрузки на валу двигателя Мс, напряжение возбуждения
двигателя Uвд и напряжение возбуждения тахогенератора Uвт.
Для данной САР скорости двигателя
внутренними вершинами являются скорость вращения двигателя W, напряжение на выходе
электронного усилителя Uвг, напряжение Uя, подаваемое от генератора на якорь
электродвигателя, и напряжение Uт, снимаемое с тахогенератора.
Для генератора постоянного тока с
независимым возбуждением, промежуточными вершинами являются ток возбуждения Iвг
и вызываемый им магнитный поток возбуждения Фвг, который непосредственно
приводит к появлению напряжения на клеммах генератора Uя.
Для электродвигателя с независимым
возбуждением промежуточными вершинами являются ток якоря Iя, вращающий момент
на валу Мд, противо-ЭДС якоря Ея, ток Iвд и поток Фвд обмотки возбуждения.
Функционирование тахогенератора
характеризуется двумя промежуточными вершинами: током Iвт и магнитным потоком
возбуждения.
Рис. 2.1. Сигнальный граф САР
скорости вращения двигателя.
3.1 Составление исходной системы
уравнений
1) Напряжение рассогласования
получается за счет разности задающего напряжения и напряжения с тахогенератора:
2) Напряжение Uвг на выходе
электронного усилителя пропорционально напряжению рассогласования:
гдеК1 — коэффициент усиления
усилителя
) Ток Iвг в обмотке возбуждения
генератора определяется величиной напряжения на выходе электронного усилителя
Uу. Так как эта обмотка возбуждения обладает значительной индуктивностью, эта
связь имеет инерционный характер и описывается дифференциальным уравнением
К3 — ее активное сопротивление
) Поток возбуждения генератора Фвг
зависит только от мгновенного значения тока возбуждения Iвг. Эта связь трудно
выражается аналитически поэтому представим ее в виде кривой намагничивания
стали в статоре генератора:
5) Напряжение Uя, возникающее на
щетках якоря генератора, зависит как от магнитного потока возбуждения
генератора Фвг, так и от скорости принудительного вращения якоря Wг. Согласно известным законам
физики напряжение Uя пропорционально каждой из переменных Фвг и Wг.:
гдеК4 — электрическая постоянная
якоря генератора
) Ток Iя, протекающий по обмотке
якоря двигателя, определяется разностью напряжения на щетках якоря Uя и противо
— ЭДС, вырабатываемой вращающимся якорем. Эта связь является инерционной в силу
того, что якорь имеет значительную индуктивность:
гдеК5 — индуктивность обмотки якоря
К6 — активное сопротивление обмотки
якоря
) Вращающийся момент на валу
двигателя Мд определяется мгновенными значениями тока Iя, протекающего по
виткам якорной обмотки, и магнитного потока, возбуждения Фвд, пересекающего
витки якоря:
гдеК7 — моментная постоянная якоря
двигателя
) Угловое ускорение вала двигателя
есть производная от угловой скорости его вращения W. Угловое ускорение вала,
согласно закону Ньютона, пропорционально действующему на него суммарному
вращающему моменту, который равен разности вращающего момента Мд и момента
сопротивления нагрузки Мс, приведенного к валу двигателя:
гдеК8 — суммарный момент инерции
якоря, редуктора и нагрузки, приложенный к валу двигателя
) Напряжение на щетках
тахогенератора Uт зависит от скорости вращения двигателя W и магнитного потока
возбуждения тахогенератора Фвт.:
гдеК9 — электрическая постоянная
якоря тахогенератора
) Якорь двигателя, вращающийся со
скоростью W в магнитном
потоке возбуждения Фвд, фактически представляет собой генератор, вырабатывающий
противо — ЭДС Ея. Поэтому уравнение, связывающее Ея с W и Фвд, будет:
гдеК10 — электрическая постоянная
) Уравнение связи тока возбуждения
двигателя Iвд с напряжением возбуждения Uвд аналогично уравнению в п. 2 для
тока возбуждения генератора:
гдеК11 и К12 — соответственно
индуктивность и активное сопротивление обмотки возбуждения двигателя
) Связь потока возбуждения двигателя
Фвд с током возбуждения Iвд выражается в виде кривой намагничивания стали в
статоре двигателя:
13) Уравнение для тока возбуждения
тахогенератора Iвт в зависимости от напряжения возбуждения Uвт выражается:
гдеК13 и К14 — соответственно
индуктивность и активное сопротивление обмотки возбуждения тахогенератора
) Зависимость потока возбуждения
тахогенератора Фвт от тока возбуждения Iвт выразим графически:
3.2 Линеаризация системы
дифференциальных уравнений
где К’4 — тангенс угла наклона
касательной к оси Iвг в точке I0вг (рис. 3.1);
где К’18 — тангенс угла наклона
касательной к оси Iвд в точке I0вд (рис. 3.2);
где К’21 — тангенс угла наклона
касательной к оси Iвт в точке I0вт (рис. 3.3);
3.3 Запись системы линейных
дифференциальных уравнений с помощью передаточных функций
3.4 Представление линейной
математической модели САР в виде взвешенного сигнального графа и структурной
схемы
Рис. 3.4. Взвешенный сигнальный граф
САР скорости вращения двигателя.
Рис. 3.5. Структурная схема САР
скорости вращения двигателя.
4. Контурные и
сквозные передаточные функции САР
4.1 Нахождение главного оператора
САР с помощью формулы Мейсона
Для нахождения данной передаточной
функции рассмотрим взвешенный сигнальный граф САР (рис. 4.1), в котором все
отклонения входных сигналов от номинального значения, кроме задающего воздействия
Рис. 4.1. Взвешенный сигнальный граф
САР при отсутствии внешних вершин, кроме задающего воздействия.
Для нахождения определителя
сигнального графа рассмотрим два замкнутых контура 1 и 2 (рис. 4.1).
Передаточные функции этих контуров следующие:
Т.к. несоприкасающихся контуров в
этом графе нет, то определитель графа будет следующий:
Определим передаточную функцию
прямого пути из вершины
Таким образом, главный оператор САР
будет иметь следующий вид:
В стандартной форме записи главный
оператор будет такой:
Проверим правильность полученных
выкладок для главного оператора путем сопоставления единиц измерения:
Таким образом главный оператор Ф(p)
имеет размерность
, что
совпадает с его физическим смыслом.
4.2 Нахождение контурной
передаточной функции САР с помощью формулы Мейсона
Для нахождения контурной
передаточной функции, разорвем цепь, соединяющую тахогенератор с электронным
усилителем. Тогда искомая контурная передаточная функция это сквозная
передаточная функция от внешней вершины
к внутренней вершине
Рис. 4.2. Взвешенный сигнальный граф
САР при отсутствии внешних вершин и при разрыве цепи обратной связи.
Найдем определитель замкнутого
контура:
Найдем передаточную функцию пути из
вершины u’т в вершину uт и его минор:
Таким образом, контурная
передаточная функция САР, будет следующая:
В стандартном виде записи контурная
передаточная функция примет вид:
Проверим правильность полученных
выкладок для контурной передаточной функции путем сопоставления единиц
измерения:
Таким образом, контурная
передаточная функция W(p) не имеет размерности, что совпадает с его физическим
смыслом (т.к. она связывает две величины одной физической природы).
4.3 Нахождение главного оператора
САР с помощью правил преобразования структурной схемы
Рассмотрим структурную схему САР при
равенстве нулю всех отклонений возмущающих величин, кроме задающего
воздействия. В этом случае структурная схема примет вид (рис. 4.3):
Рис. 4.3. Структурная схема САР с
одной внешней вершиной
Объединим группы последовательных
элементов, используя правило умножения передаточных функций. В результате
получим следующую структурную схему (рис. 4.4):
Рис. 4.4. Структурная схема после
первого этапа эквивалентных преобразований.
Далее объединим два звена,
соединенных по схеме обратной связи (рис. 4.5):
Рис. 4.5. Структурная схема после
второго этапа эквивалентных преобразований.
Затем снова объединим два последовательных
звена (рис. 4.6):
Рис. 4.6. Структурная схема после
третьего этапа эквивалентных преобразований.
Объединим два звена, соединенных по
схеме обратной связи. В результате получим искомый главный оператор Ф(p):
Главный оператор, полученный с
помощью преобразования структурной схемы, совпадает с главным оператором,
полученным по формуле Мейсона. Следовательно, главный оператор САР найден
верно.
4.4 Нахождение контурной передаточной
функции САР с помощью правил преобразования структурной схемы
Рассмотрим структурную схему САР при
равенстве нулю всех отклонений возмущающих величин. В этом случае структурная
схема примет вид (рис. 4.7):
Рис. 4.7. Структурная схема САР при
отсутствии внешних вершин и при разрыве цепи обратной связи.
Объединим группы последовательных
элементов, используя правило умножения передаточных функций. В результате получим
следующую структурную схему (рис. 4.8):
Рис. 4.8. Структурная схема после
первого этапа эквивалентных преобразований.
Далее объединим два звена,
соединенных по схеме обратной связи. В результате получим структурную схему,
изображенную на рис. 4.9:
Рис. 4.9. Структурная схема после
второго этапа эквивалентных преобразований.
Затем, объединив все
последовательные звенья, получим искомую контурную передаточную функцию:
Контурная передаточная функция,
полученная с помощью преобразования структурной схемы, совпадает с контурной
передаточной функцией, найденной по формуле Мейсона. Следовательно, контурная
передаточная функция найдена верно.
В данной курсовой работе
исследовалась система автоматического регулирования скорости вращения
двигателя. Была построена математическая модель системы, которая с определенной
точностью отражает процессы, протекающие в системе. В работе составлен
сигнальный граф САР, по которому составлена система дифференциальных уравнений.
Так как некоторые из этих уравнений нелинейны, то они были линеаризованы. Для
упрощения расчётов система была записана в оперативной форме, а также построены
изображения математической модели в виде взвешенного сигнального графа и
структурной схемы. Также был рассчитан главный оператор и контурная
передаточная функция. Проверка размерности подтвердила правильность их расчёта.
Системы автоматического регулирования скорости.
Системы автоматического регулирования скорости.
Метрополитен является основным видом пассажирского транспорта крупнейших городов. Рост городов вызывает увеличение пассажиропотоков и удлинение линий метрополитена, а следовательно, необходимость увеличения скоростей движения и повышения безопасности пассажироперевозок.
Высокая интенсивность движения предъявляет повышенные требования к устройствам интервального регулирования движения. Однако, несмотря на значительную модернизацию системы автоблокировки, эти устройства не обеспечивают возросшие требования.
Автоблокировка относится к устройствам автоматики и предназначена для регулирования движения поездов по показаниям светофоров, сменяющих своё показание автоматически, в результате воздействия колёсной пары вагона на ограждаемый светофором участок пути. Ввиду отсутствия непрерывного контроля скорости движения поезда при автоблокировке, все тормозные пути должны рассчитываться на максимально допустимые скорости движения. Кроме того, применение точечного автостопа требует выделения защитного участка за светофором с запрещающим показанием. Всё это усложняет устройства, ограничивает максимальные скорости и снижает пропускную способность линии. Кроме того, данная система не контролирует соблюдение машинистом установленного скоростного режима. Таким образом, максимальная пропускная способность линий, оборудованных автоблокировкой, равна 42 парам поездов в час, что соответствует интервалу 1м. 25с. (по отправлению).
Существенным недостатком автостопов является и то, что автоматическое торможение поезда осуществляется в результате взаимодействия двух механических скоб — путевой и поездной, исправность которых непрерывно не контролируется, а проверяется периодически (по графику).
Для увеличения пропускной способности и степени безопасности движения поездов на линиях метрополитена применяют систему автоматической локомотивной сигнализации с автоматическим регулированием скорости (АЛС-АРС), представляющую собой комплекс устройств, предназначенных автоматически, с помощью тормозных средств поезда, регулировать скорость движения таким образом, чтобы расстояние до препятствия было не менее тормозного пути при фактической скорости поезда.
Назначение системы АРС-АЛС.
Система АРС-АЛС предназначена для непрерывного контроля за соблюдением машинистом предельно допустимых скоростей, путём автоматического включения тормозного режима до снижения скорости ниже допустимой, либо до полной остановки поезда. Система внедрялась с целью повышения уровня безопасности движения, а также для перехода на управление поездом машинистом «в одно лицо».
Система АРС (далее АРС) выполняет следующие функции:
скорости на данном и впередилежащем участках пути
машинист подтвердил восприятие им сигнала от АРС о превышении допустимой скорости
кратковременным нажатием на КВТ (кнопку восприятия торможения) или КБ (кнопку
Система АРС не вмешивается в работу машиниста, если он не превышает допустимую скорость и не допускает скатывание поезда или его движение со слишком малой скоростью!
Она определяется расстоянием между соседними движущимися поездами. Чем меньше это расстояние, тем больше пропускная способность линии. На данный момент существуют два типа линий метрополитена:
Аппаратура АРС-АЛС состоит из напольных и поездных устройств. Рассмотрим их подробнее.
Напольные устройства АРС.
Предназначены для формирования и передачи в рельсовые цепи сигнала о допустимой скорости на данном и впередилежащем участке рельсовой цепи (или блок-участке) в зависимости от тормозного пути и от наличия ограничения скорости на данном участке пути. Путевые устройства подразделяются на станционные (аппаратура размещается в релейных помещениях станции или депо) и напольные (аппаратура размещается в тлннеле, в непосредственной близости от рельсов в путевых ящиках или релейных шкафах). К напольным устройствам относятся:
Бесстыковые рельсовые цепи.
Изолирующие стыки являются наиболее уязвимыми узлами путевых устройств и требуют периодической проверки состояния изолирующих элементов. На обслуживание температурных и изолирующих стыков затрачивается до 40% финансовых средств, необходимых на текущее содержание пути. Работы по снижению этих расходов привели к созданию бесстыковых рельсовых цепей (БРЦ).
Основным преимуществом применения БРЦ является значительное уменьшение количества изолирующих стыков на линии (в среднем в 15 раз) и, соответственно, исключение путевых дроссель-трансформаторов и других путевых устройств. Это позволило значительно снизить расходы на содержание путевых устройств, а также снизить стоимость строительства новых линий метрополитена.
Работы по разработке БРЦ были начаты в 1974 году московским метрополитеном совместно с МИИТ, ВЗИИТ и конструкторским бюро ЦШ МПС СССР. В 1984 году впервые в практике метрополитенов сдан в эксплуатацию участок 2-ой линии Харьковского метрополитена, полностью оборудованный БРЦ. Начиная с 1984 года в проектах строящихся линий метрополитенов СССР и РФ предусматривалось применение только бесстыковых рельсовых цепей.
Применение БРЦ не исключает применения изолирующих стыков. Они устанавливаются:
В связи с отсутствием изолирующих стыков котроль за свободностью или занятостью пути БРЦ осуществляется сигнальным переменным током разной частоты. Для этого применяются, так называемые, тональные частоты: 475, 725 и 775 Гц (+ 425 и 525 Гц) с модуляцией 8 и 12 Гц. Таким образом можно получить до 10 разных комбинаций и исключить вероятность ложного восприятия частот со смежных рельсовых цепей, благодаря приёмникам, настроенным на восприятие только своей частоты (рис.8).
рис.8. Бесстыковые рельсовые цепи «Днепр».
БРЦ на обоих концах имеет путевые генераторы ПГ, настроенные на одну из фиксированных частот, и путевые индуктивные катушки ПК, соединённые с путевым реле. Рельсовая цепь обтекается током обоих путевых генераторов и контролируется двумя путевыми приёмниками, настроеннми в резонанс на различные частоты. При такой схеме БРЦ фактически являются датчиками местоположения поезда. Однако, занятие или освобождение поездом участка фиксируется не в момент фактического вступления или его освобождения, а на некотором расстоянии от точки подключения аппаратуры, которое называется зоной дополнительного шунтирования. Длина этой зоны – от 12,5 до 25м, поэтому границы рельсовых цепей при БРЦ являются не фиксированными, а «плавающими». Расчетное значение длины БРЦ соответствует расстоянию между точками под ключения ее передающей и приемной аппаратуры. Для метрополитенов максимальное значение длины БРЦ принято равным 135 м, а минимальное — 25 м. В необходимых случаях допускается отклонение от этих значений до 10%. Рассмотрим принцип работы БРЦ на примере рельсовой цепи №1 (рис.8).
Данная цепь занята, поэтому сигнальный ток 775/12Гц. от генератора 1ПГ замыкается через колёсную пару, а путевое реле 1ПР оказывается зашунтированным, что является признаком занятости цепи. Путевые генераторы 3ПГ — 6ПГ продолжают вырабатывать сигнальный ток, но он не оказывает влияние на 1ПР, так как это реле настроено на восприятие только своей частоты (775/12). Несмотря на то, что генератор 7ПГ вырабатывает ту же частоту, реле 1ПР этот сигнал не принимает, так как между ними значительное расстояние, равное пяти рельсовым цепям и сигнал «затухает».
Получает информацию от путевого реле о количестве свободных блок-участков и передаёт её на ГАЛС.
Генератор частот АЛС (ГАЛС).
Преобразует переменный ток промышленной частоты 50 Гц в переменный ток с сигнальными частотами, соответствующими скоростям:
F1: 75 Гц – 80 км/ч (для всех линий)
F2: 125 Гц – 70 км/ч (для ТКЛ – 75 км/ч, для КолЛ – 60 км/ч)
F3: 175 Гц – 60 км/ч (для КолЛ – 40 км/ч)
F4: 225 Гц – 40 км/ч (для КолЛ – 0 км/ч)
F5: 275 Гц – 0 км/ч (на КолЛ эта частота не подаётся)
F6: 325 Гц – признак направления движения (для СЛ, ЛДЛ, АПЛ и КалЛ) и признак равенства скоростей на данном и впередилежащем участках (для АПЛ, БЛ, СЛ и ЛДЛ).
Принцип работы системы АРС.
1. Путевые реле (ПР) проверяют состояние и свободность пути. Информация о количестве свободных блок-участков передаётся на шифратор, там полученная информация сравнивается с заложенной длиной тормозных путей и в зависимости от наличия или отсутствия ограничения скорости для данного участка вырабатывается команда для ГАЛС на формирование сигнала переменного тока соответствующей частоты. ГАЛС посылает сформированный сигнал в рельсовую цепь, в результате по обеим нитям протекает переменный ток сигнальной частоты и вокруг рельсов образуется переменное магнитное поле той же частоты (Правило буравчика).
2. Приёмные катушки головного вагона находятся под напряжением АКБ вагона и создают своё магнитное поле, одновременно находясь в переменном магнитном поле, образовавшемся вокруг рельсов. В результате в приёмных катушках наводится ЭДС (Правило Правой руки).
Далее этот сигнал передаётся в статив АРС на согласующее устройство СУБЛПМ и затем на один из трёх БЛПМ, настроенный на приём сигнала данной частоты, где происходит фильтрация сигнала и его усиление. Затем обработанный сигнал поступает в блок сравнения скоростей БСМ.
3. Датчики ДС (или ДВШ) вырабатывают переменный ток с частотой, которая прямо пропорциональна скорости вращения колёсной пары. Сигнал от каждого датчика поступает в соответствующий БИС для определения фактической скорости движения поезда. Информация о фактической скорости передаётся на скоростемер, расположенный на пульте машиниста, и на БСМ.
Здесь происходит сравнение Vфакт и Vдоп. В случае превышения допустимой скорости в цепи управления поезда подаётся команда на отключение ходового режима и кратковременное (1,5с.) включение В№1. Если за время действия В№1 фактическая скорость не упала ниже допустимой, то включится автоматического реостатного торможения (тормоз-2), которое будет продолжаться до того момента, пока Vфакт не станет меньше Vдоп. на 4-6 км/ч. Отключение тормозного режима произойдёт только в случае подтверждения машинистом своей бдительности кратковременным нажатием на КБ или КВТ (в зависимости от типа АРС).
При неэффективном торможении (только по команде от АРС!) хотя бы одного вагона – через 3 или 5 с. (в зависимости от скорости движения) сработает ЭПВ, что приведёт к разрядке тормозной магистрали поезда экстренным темпом, то есть, к полной остановке поезда. Дальнейшее движение будет возможно только после переключения устройств АРС установленным порядком (будет рассмотрено далее).
Модификации систем АРС.
Сокращения названий линий, принятые в тексте.
1. АРС-2/6 (только вагоны Еж-3 ТКЛ) – способна воспринимать одновременно две частоты из шести возможных, разрешая движение с наибольшей скоростью (по наименьшей частоте). Сигнал о допустимой на данном участке скорости подаётся в рельсовые цепи навстречу поезду в приёмные катушки головного вагона. Напольные устройства на ТКЛ работают в режиме 1/5.
2. МАРС-1/5 (ЗЛ, КхЛ, КРЛ) – Модернизированная АРС. Воспринимает одновременно 1 частоту из 5 возможных. При получении 2-х частот одновременно — выдаёт «ОЧ» — дальнейшее движение невозможно. Сигнал о допустимой скорости на данном участке подаётся в рельсовые цепи навстречу поезду в приёмные катушки головного вагона.
3. АРС-ДАУ АРС-1/6 -КалЛ; СТЛ и ТКЛ-1/5) – работают одновременно головной и хвостовой стативы АРС (дублирующее автономное устройство, ДАУ). Эта система воспринимает одновременно только 1 частоту из 6 (5) возможных, при этом:
(только КалЛ) подаются в приёмные катушки хвостового вагона вслед поезду
хвостового комплекта (ДАУ).
4. АРС Днепр-2/6 (СЛ, ЛДЛ) – воспринимает одновременно 2 частоты из 6 возможных, разрешая движение с наибольшей скоростью (по наименьшей частоте). Эти сигналы воспринимаются головным или хвостовым комплектами аппаратуры, причём на головном и хвостовом вагонах установлены по 2 пары приёмных катушек – для работы в режимах АРС-Д или с АРС-Р. При этом выделяются сигналы:
Вагоны 81-717.5м депо «Свиблово» и «Калужское» оборудованы аппаратурой АРС Днепр-2/6, однако работают в режиме МАРС-1/5 (как и напольные устройства КРЛ), а вагоны 81-717.5м депо Варшавское – в режиме АРС-ДАУ-АРС-1/5
5. АРС МП-2/6 (МикроПроцессорная (СЛ, ЛДЛ) — воспринимает одновременно 2 частоты из 6-ти возможных, разрешая движение с наибольшей скоростью (по наименьшей частоте). В стативах головных вагонов установлены по 1 блоку, состоящему из основного и резервного комплектов аппаратуры АРС. При отказе основного блока в работу автоматически включается резервный блок головного вагона (режим «горячий резерв»). Такое же резервирование предусмотрено для режима АРС-Р («холодный резерв»). Таким образом, данная система АРС имеет четырёхкратное резервирование, что делает её практически безотказной. АРС-МП имеет возможность эксплуатироваться на любой линии московского метрополитена, в любом режиме восприятия кодовых сигналов от напольных устройств АРС.
АРС-МП имеет возможность регистрации параметров движения поезда. По согласованию с заказчиком, аппаратура АРС-МП, а именно, поездной микропроцессорный блок ПБМ, может обеспечить дополнительные функции, не связанные с системой АЛС-АРС (прием и обработку информации от радиостанции, устройств идентификации координат пути, вновь разрабатываемых реверсивных датчиков скорости и др.).
6. БАРС-2/6 – Бесконтактная АРС (БЛ, ЛДЛ, КхЛ, АПЛ, КолЛ) — выполняет функции АРС в системе автоматического управления поездом «Витязь» на вагонах серии 720, 740 и 760. Система «Витязь» представляет собой комплекс электронных устройств, выполненных на основе микропроцессорной (вычислительной) техники, и предназначена для управления поездом, обеспечивая при этом техническую диагностику оборудования вагонов поезда. Имеет два дублированных блока, один из которых находится в «холодном» резерве. Система БАРС имеет возможность работать на всех линиях московского метрополитена, в любом режиме восприятия кодовых сигналов допустимых скоростей, но не обеспечивает включение хвостового комплекта аппаратуры при неисправности головного комплекта (возможно резервирование только головного комплекта).
Проводится при каждом включении системы для определения её исправности и ориентации вагонов в поезде. Все данные о заводских номерах вагонов, их расположении и количестве хранятся в памяти БУП и вводятся только в случае ихизменения (например, при перецепке).
При включении системы необходимо ввести пароль. Инициализация производится дублировано– по основному и резервному каналам. После этого осуществляется тестирование приёма сигналов с БУП и обоих блоков БАРС. По окончании проверки происходит тестирование всего оборудования в ручном или автоматическом режиме. Затем система переходит в штатный режим (с отображением состояния на экране монитора).
При штатном включении САУ «Витязь», БАРС осуществляет разрыв петли безопасности (экстренный тормоз). Состав остается заторможенным экстренным тормозом до окончания начального запуска системы.
При включении контроллера реверса (КРО или КРР) БАРС контролирует положение рукоятки контроллера машиниста (КМ) и наличие фактической скорости состава. При нахождении рукоятки КМ в положении «Выбег/Тормоз» и фактической скорости поезда менее 1,8 км/ч, БАРС формирует команду на тормоз удержания. При этом петля безопасности замыкается и БАРС контролирует изменение давления в ТЦ с максимального значения до давления тормоза удержания (2-я уставка ЭПТ, Ртц = 1,4-1,6Атм. порожний режим и 2,2Атм. груженый режим).
В случае положительного результата контроля блок БАРС формирует признак готовности к работе. Если же рукоятка КМ находится в положении «Ход» или фактическая скорость поезда хотя бы в одном из каналов более 1,8 км/ч., БАРС формирует команду на включение экстренного тормоза и снимает питание с вентилей тормоза безопасности (ВТБ) в петле безопасности.
После появления признака готовности к работе БАРС разрешает движение. Система БАРС формирует ряд команд управления движением. К ним относятся:
Данные команды поступают в БУП, где соответствующим образом обрабатываются и передаются на вагонное оборудование (через поездную магистраль и блоки управления вагона) для исполнения.
Логика работы системы БАРС при ее исправности:
электротормоз с наложением на 1,5-2 с. первой уставки ЭПТ. Для отмены торможения от АРС необходимо перевести КМ в положение «Выбег» или «Тормоз» и, после снижения фактической скорости ниже предельно допустимой, кратковременно нажать на КВТ.
При этом отключится сигнал ТВУ. Если КВТ не была нажата или КМ находится в положении «Ход», то торможение продолжится до полной остановки.
состава вперед или назад включится экстренный тормоз (Ртц = 2,4-2,6 пор./ 3,2 груж.) до
полной остановки состава.
Автоматы защиты БАРС.
на ППЗ — БАРС(SF4) – «Яуза», БАРС-1(SF4) и БАРС-2(SF7) – «Русич»
на ПВЗ — Скоростемер(SF21) – «Русич».
Работа системы противоскатывания.
Если при трогании с места поезд будет скатываться назад в течение 3с. или в течение 6с. не наберет скорость более 1,8 км/ч., то включится электротормоз с уставкой № 3 и Ртц = 2,4-2,6 Атм.
Отмена данного режима и переход на тормоз удержания произойдут только после перевода
и выдержки КМ в положении «Выбег/Тормоз» более 1,5 с., после чего попытку трогания можно повторить. При трогании под «ОЧ» противоскатывание не срабатывает. При отпускании КБ или ПБ через 2с. произойдет отмена тягового режима.
Требования ПТЭ при неисправности (отключении) устройств АРС-АЛС.
Модуль мобильной связи ММС.
Модуль состоит из двух модемов и служит для обмена данными между поездными и путевыми устройствами систем автоматики метрополитена и устанавливается на правом лобовом стекле внутри кабины машиниста (поездной ММС), а также на станциях и в тоннелях (путевой ММС).
Изделие обеспечивает обмен данными с аналогичным изделием по инфракрасному (ИК) каналу на расстоянии не менее 10 метров, либо по радиочастотному каналу 434 МГц на расстоянии не менее 40 метров. Запитывается от пульта ПНМ-6, напряжением 12В. Внутри корпуса имеется преобразователь напряжения на 3В для радиомодема и 5В для питания остальных узлов модуля.
ММС, установленный на станции, периодически включается в режим передачи. Если поезд находится в зоне приёма, то ММС поезда принимает эти данные, затем процессор ММС их обрабатывает и передаёт на пульт ПНМ-6 (см. далее). После этого радио- и ИК модемы переходят в режим передачи данных на путевой ММС. Если поезд вступил в зону взаимодействия двух ММС по радиоканалу, но находится не в зоне взаимодействия по ИК каналу, то обмен данными произойдёт только в том случае, если номер пути, заложенный в путевом ММС, совпадает с номером пути, введённым в поездной ММС.
Рис.29 Внешний вид ММС.
Пульт наборный многофункциональный ПНМ-6 (4-й блок пульта машиниста).
Предназначен для ввода информации о поезде с целью обеспечения корректного обмена ею между устройствами поездной автоматики (АСНП-М) и напольными устройствами, расположенными на станции и на перегоне.
Рис.30 Блок настроек и индикации ПНМ-6. Процессорный блок.
На дисплее ПНМ отображается следующая информация:
После установки реверсивной рукоятки в положение «Вперёд» или «Назад» сообщения Бл.Л и Бл.П о блокировании открытия левых и правых дверей исчезнут.
· Для выбора линии нажмите кнопку «МЕНЮ» 1 раз, при этом появится сообщение: «Выбор линии — Замоскворецкая (Каховская)». Нажимая кнопки «ВВЕРХ» или «ВНИЗ» установите требуемую линию.
· Для изменения номера пути нажмите кнопку «МЕНЮ» 2 раза, при этом появится сообщение: «Выбор направления — ПУТЬ I (II)». Нажимая кнопки «ВВЕРХ» или «ВНИЗ» установите требуемый номер пути, при этом автоматически устанавливаются названия текущей и конечной станций.
· Для изменения названия текущей станции нажмите кнопку «МЕНЮ» 4 раза, при этом появится сообщение: «Выбор станции». Нажимая кнопки «ВВЕРХ» или «ВНИЗ» установите название станции.
· Для изменения информации о прибытии или отправлении нажмите кнопку «МЕНЮ» 5 раз, при этом появится сообщение: «ОТПР» или «ПРИБ». Нажимая кнопки «ВВЕРХ» или «ВНИЗ» установите нужное значение.
· Для выбора информации о станции оборота нажмите кнопку «МЕНЮ» 6 раз, при этом появится сообщение: «Выбор станции оборота. Наименовании станции оборота». Нажимая кнопки «ВВЕРХ» или «ВНИЗ» установите нужное значение.
· Для выхода из режима параметров в режим основного меню нажмите кнопку «Меню».
Иными словами, последовательное нажатие кнопки «МЕНЮ» до восьми раз позволяет машинисту проверить и при необходимости изменить соответствующие значения, а последнее, девятое нажатие, — переводит дисплей в рабочий режим.
Перед выездом из электродепо на ПНМ необходимо установить следующую информацию:
При приёмке на линии после ночного отстоя необходимо проверить и при необходимости изменить:
При зонном движении.
После отправления со станции и отключении ТЭД по режиму, при разрешающем показании светофора необходимо 6 раз нажать на кнопку «Меню» и установить кнопками «Вверх» или «Вниз» название станции оборота. Через 10с. произойдет автоматическое запоминание информации и переход дисплея в основной режим.
РПДП (регистратор параметров движения поезда).
Регистратор параметров движения поезда (РПДП-2) предназначен для сбора, обработки и накопления информации о состоянии сигналов, поступающих от оборудования поезда метрополитена с фиксацией текущего календарного времени. Накопленная информация может храниться в двух накопителях: основном и аварийном. РПДП Установлен в правом аппаратном отсеке (рис.13).
РПДП-2 обеспечивает накопление данных о состоянии оборудования, органов управления и устройств сигнализации поезда, хранение этих данных в энергонезависимых запоминающих устройствах (накопителях) с фиксацией текущего календарного времени. Считывание информации из накопителей осуществляется по радиоканалу с помощью модема Radio Ethernet IEEE 801.11B. Возможна непосредственная передача данных с накопителя по интерфейсу Ethernet IEEE 801.3 10 BASE-T в персональный компьютер. Разработчик устройства — ООО «Метроком-М».
Рис.35 Комплект РПДП-2.
РПДП обеспечивает приём и регистрацию:
Распечатка «бурограмы», участок Печатники — Волжская — Люблино 1 путь, АРС-Днепр (см. стр 54).
* ПП — поездной провод
Система АСОТП «Игла» (автоматическая система обнаружения и тушения пожара).
АСОТП «ИГЛА» предназначена для обнаружения, тушения и контроля за эффективностью тушения пожаров на вагонах метрополитена. АСОТП «Игла®-М.5К-Т» работает совместно с системой контроля температуры букс (СКТБ) и выполняет следующие функции:
Информация обо всех событиях в с
