Алгоритмическое и программное обеспечение системы автоматизации процесса подбивки балласта путевого комплекса завода «ДСТ-Урал»
|
Аннотация 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ОЗНАКОМЛЕНИЕ С ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТЬЮ РАЗРАБОТКИ 10
1.1 Технология возведения верхнего строения железнодорожного пути 10
1.2 Основы механизированного уплотнения балластного слоя 17
1.2.1 Показатели качества уплотнения балласта подбивочным
механизмом 19
1.3 Анализ рынка путевых универсальных комплексов 24
1.3.1 Классификация путевых машин 24
1.3.2 Сравнительный анализ путевых универсальных комплексов 26
1.3.3 Сравнительный анализ выправочно-подбивочных механизмов 31
1.3.4 Аппаратная часть подбивочного блока КПУ-1 33
1.4 Концепция системы автоматизации блока подбивки путевого комплекса
«ДСТ-Урал» 39
Выводы по главе один 40
2 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ПОДБИВКИ БАЛЛАСТА ПУТЕВЫМ КОМПЛЕКСОМ «ДСТ-Урал» 41
3 РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ПОДБИВКИ БАЛЛАСТА 43
3.1 Расчет показателей качества уплотнения подбивочным блоком КПУ-1 .. 43
3.2 Анализ действующей системы 47
3.3 Реализация системы автоматизации процесса подбивки 48
3.4 Реализация алгоритма управления подбивочным блоком 55
3.5 Реализация фильтрации сигнала чувствительного элемента 57
3.6 Реализация программного обеспечения в системе программирования
BODAS-design контроллеров серии RC 68
Выводы по главе три 74
4 ОЦЕНКА СООТВЕТСТВИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ ТРЕБОВАНИЯМ
ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ 75
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 77
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 79
ПРИЛОЖЕНИЯ 82
ПРИЛОЖЕНИЕ А. СТРУКТУРА ПРОГРАММЫ И ЛОКАЛЬНЫЕ
ПЕРЕМЕННЫЕ «PLC_PRG» 82
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ПРОГРАММНЫЙ БЛОК ПЕРЕХОДА ПБ В РАБОЧЕЕ
ПОЛОЖЕНИЕ НА ЯЗЫКЕ SFC И ЕГО СТРУКТУРА 83
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ПРОГРАММНЫЙ БЛОК ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ИНДУКТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ПБ НА ЯЗЫКЕ FBD И ЕГО СТРУКТУРА . 84 ПРИЛОЖЕНИЕ Д. ЛИСТИНГ ПРОГРАММНОГО КОДА РЕАЛИЗАЦИИ УПЛОТНЕНИЯ БАЛЛАСТА НА ЯЗЫКЕ ST 85
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. ПРОГРАММНЫЙ БЛОК СИГНАЛИЗАЦИИ О ГОТОВНОСТИ ПБ К ПЕРЕЕЗДУ НА ЯЗЫКЕ SFC И ЕГО СТРУКТУРА .... 86 ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. ЛИСТИНГ ПРОГРАММНОГО КОДА ПУЛЬТА РАДИОУПРАВЛЕНИЯ НА ЯЗЫКЕ ST 87
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ОЗНАКОМЛЕНИЕ С ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТЬЮ РАЗРАБОТКИ 10
1.1 Технология возведения верхнего строения железнодорожного пути 10
1.2 Основы механизированного уплотнения балластного слоя 17
1.2.1 Показатели качества уплотнения балласта подбивочным
механизмом 19
1.3 Анализ рынка путевых универсальных комплексов 24
1.3.1 Классификация путевых машин 24
1.3.2 Сравнительный анализ путевых универсальных комплексов 26
1.3.3 Сравнительный анализ выправочно-подбивочных механизмов 31
1.3.4 Аппаратная часть подбивочного блока КПУ-1 33
1.4 Концепция системы автоматизации блока подбивки путевого комплекса
«ДСТ-Урал» 39
Выводы по главе один 40
2 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ПОДБИВКИ БАЛЛАСТА ПУТЕВЫМ КОМПЛЕКСОМ «ДСТ-Урал» 41
3 РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ПОДБИВКИ БАЛЛАСТА 43
3.1 Расчет показателей качества уплотнения подбивочным блоком КПУ-1 .. 43
3.2 Анализ действующей системы 47
3.3 Реализация системы автоматизации процесса подбивки 48
3.4 Реализация алгоритма управления подбивочным блоком 55
3.5 Реализация фильтрации сигнала чувствительного элемента 57
3.6 Реализация программного обеспечения в системе программирования
BODAS-design контроллеров серии RC 68
Выводы по главе три 74
4 ОЦЕНКА СООТВЕТСТВИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ ТРЕБОВАНИЯМ
ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ 75
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 77
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 79
ПРИЛОЖЕНИЯ 82
ПРИЛОЖЕНИЕ А. СТРУКТУРА ПРОГРАММЫ И ЛОКАЛЬНЫЕ
ПЕРЕМЕННЫЕ «PLC_PRG» 82
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ПРОГРАММНЫЙ БЛОК ПЕРЕХОДА ПБ В РАБОЧЕЕ
ПОЛОЖЕНИЕ НА ЯЗЫКЕ SFC И ЕГО СТРУКТУРА 83
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ПРОГРАММНЫЙ БЛОК ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ИНДУКТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ПБ НА ЯЗЫКЕ FBD И ЕГО СТРУКТУРА . 84 ПРИЛОЖЕНИЕ Д. ЛИСТИНГ ПРОГРАММНОГО КОДА РЕАЛИЗАЦИИ УПЛОТНЕНИЯ БАЛЛАСТА НА ЯЗЫКЕ ST 85
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. ПРОГРАММНЫЙ БЛОК СИГНАЛИЗАЦИИ О ГОТОВНОСТИ ПБ К ПЕРЕЕЗДУ НА ЯЗЫКЕ SFC И ЕГО СТРУКТУРА .... 86 ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. ЛИСТИНГ ПРОГРАММНОГО КОДА ПУЛЬТА РАДИОУПРАВЛЕНИЯ НА ЯЗЫКЕ ST 87
Железнодорожный транспорт является сложной производственно-экономической и социальной системой со своей внутренней территориально- производственной и функциональной структурой. В этом значении он выступает и как самостоятельная отрасль национального хозяйства, и как отрасль материального производства, продолжающая процесс создания стоимости товаров в сфере обращения.
При больших объемах перевозок (около 1 млрд. тонн груза и 120 тыс. контейнеров, что составляет 43,2% грузооборота страны) железнодорожный транспорт имеет большие преимущества в области экологии, энергетики, землепользования, чем автомобильный транспорт.
В то же время рост спроса на услуги железнодорожного транспорта наблюдается на фоне повышения конкурентного давления других видов транспорта и низких темпов обновления основных фондов.
Поэтому принятая Правительством РФ стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года наряду с задачами модернизации и обновления парка подвижного состава, повышения качества транспортного обслуживания предусматривает решение задач строительства железнодорожных линий в районах нового освоения, строительства железнодорожных линий для организации скоростного и высокоскоростного пассажирского движения, повышения безопасности движения [1,5,6].
Решение этих задач невозможно без автоматизации как основных технологических процессов работы подвижного состава, так и 120-ти технологических операций обслуживания железнодорожной инфраструктуры путевыми машинами более 40 типов.
В настоящее время для обслуживания и ремонта верхнего строения железнодорожного пути (укладка рельс, замена шпал, выправка пути, уплотнение балласта) используются как путевые машины (одноооперационные производительные машины на железнодорожном ходу) так и комплексы путевые универсальные (КПУ). Путевые машины (подвижной состав) характеризуется более высокой производительностью по отношению к комплексам путевым универсальным. В свою очередь, КПУ более мобильны и многофункциональны, применяются на различных типах строениях железнодорожного пути, позволяют производить работы на путях без прерывания движения поездов, что обеспечивает безопасность работников и пассажиров. Многофункциональность КПУ объясняется наличием различных навесных блоков, входящих в состав комплекса: например, блок выправочно-подбивочный (БВП), блок очистки верхней постели шпал и блок замены шпал. Основным навесным блоком КПУ является блок БВП, состоящий из механизма подъемно-выправочного (МПВ) и подбивочного блока (ПБ). В настоящее время, растет спрос на данные машины среди промышленных предприятий, а также оборонных комплексов.
Основная задача предприятий «ООО Ригель АВ - Белгород», «Калуга-путьмаш», «Брянский арсенал», ОАО «192 Центральный завод железнодорожной техники», производящих комплексы путевые универсальные, заключается в разработке и производстве высококачественной продукции, отвечающей современным стандартам и требованиям к ремонту и восстановительным работам на железнодорожных путях.
Рынок железнодорожной спецтехники, в частности рынок путевых универсальных машин, заинтересовал предприятие «ДСТ-Урал», которое уже 16 лет занимается производством промышленных гусеничных тракторов, бульдозеров, трубоукладчиков и кабелеукладчиков, колесных и гусеничных погрузчиков, сельскохозяйственной техники, которые оснащены
автоматическими и автоматизированными системами управления на базе микропроцессорных управляющих устройств (программируемых логических контроллеров BODAS RC 12-10/30 производства Bosch Rexroth).
Для выяснения того, какие конкурентные преимущества следует создать для путевого комплекса производства «ДСТ-Урал», решено провести анализ российского рынка КПУ с ориентацией на особенности блока подбивочного (ПБ), в составе БВП, выполняющий операции по уплотнению балласта.
Процесс подбивки балласта - это процесс уплотнения гравийного слоя (балласта), который находится под железнодорожными шпалами. Качественно уплотненный балласт обеспечивает устойчивость и надежность железнодорожного полотна, снижает колебания и вибрации пути, повышает безопасность передвижения железнодорожного транспорта [12].
В настоящее время, на рынке представлены следующие путевые универсальные комплексы: КПУ-1 производство «Калуга-путьмаш», УПМ-1 производства «ООО Ригель АВ - Белгород» и УПМ-750, созданный по заказу военного ведомства России специалистами компании «Брянский арсенал» совместно с коллегами из ОАО «192 Центральный завод железнодорожной техники»...
При больших объемах перевозок (около 1 млрд. тонн груза и 120 тыс. контейнеров, что составляет 43,2% грузооборота страны) железнодорожный транспорт имеет большие преимущества в области экологии, энергетики, землепользования, чем автомобильный транспорт.
В то же время рост спроса на услуги железнодорожного транспорта наблюдается на фоне повышения конкурентного давления других видов транспорта и низких темпов обновления основных фондов.
Поэтому принятая Правительством РФ стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года наряду с задачами модернизации и обновления парка подвижного состава, повышения качества транспортного обслуживания предусматривает решение задач строительства железнодорожных линий в районах нового освоения, строительства железнодорожных линий для организации скоростного и высокоскоростного пассажирского движения, повышения безопасности движения [1,5,6].
Решение этих задач невозможно без автоматизации как основных технологических процессов работы подвижного состава, так и 120-ти технологических операций обслуживания железнодорожной инфраструктуры путевыми машинами более 40 типов.
В настоящее время для обслуживания и ремонта верхнего строения железнодорожного пути (укладка рельс, замена шпал, выправка пути, уплотнение балласта) используются как путевые машины (одноооперационные производительные машины на железнодорожном ходу) так и комплексы путевые универсальные (КПУ). Путевые машины (подвижной состав) характеризуется более высокой производительностью по отношению к комплексам путевым универсальным. В свою очередь, КПУ более мобильны и многофункциональны, применяются на различных типах строениях железнодорожного пути, позволяют производить работы на путях без прерывания движения поездов, что обеспечивает безопасность работников и пассажиров. Многофункциональность КПУ объясняется наличием различных навесных блоков, входящих в состав комплекса: например, блок выправочно-подбивочный (БВП), блок очистки верхней постели шпал и блок замены шпал. Основным навесным блоком КПУ является блок БВП, состоящий из механизма подъемно-выправочного (МПВ) и подбивочного блока (ПБ). В настоящее время, растет спрос на данные машины среди промышленных предприятий, а также оборонных комплексов.
Основная задача предприятий «ООО Ригель АВ - Белгород», «Калуга-путьмаш», «Брянский арсенал», ОАО «192 Центральный завод железнодорожной техники», производящих комплексы путевые универсальные, заключается в разработке и производстве высококачественной продукции, отвечающей современным стандартам и требованиям к ремонту и восстановительным работам на железнодорожных путях.
Рынок железнодорожной спецтехники, в частности рынок путевых универсальных машин, заинтересовал предприятие «ДСТ-Урал», которое уже 16 лет занимается производством промышленных гусеничных тракторов, бульдозеров, трубоукладчиков и кабелеукладчиков, колесных и гусеничных погрузчиков, сельскохозяйственной техники, которые оснащены
автоматическими и автоматизированными системами управления на базе микропроцессорных управляющих устройств (программируемых логических контроллеров BODAS RC 12-10/30 производства Bosch Rexroth).
Для выяснения того, какие конкурентные преимущества следует создать для путевого комплекса производства «ДСТ-Урал», решено провести анализ российского рынка КПУ с ориентацией на особенности блока подбивочного (ПБ), в составе БВП, выполняющий операции по уплотнению балласта.
Процесс подбивки балласта - это процесс уплотнения гравийного слоя (балласта), который находится под железнодорожными шпалами. Качественно уплотненный балласт обеспечивает устойчивость и надежность железнодорожного полотна, снижает колебания и вибрации пути, повышает безопасность передвижения железнодорожного транспорта [12].
В настоящее время, на рынке представлены следующие путевые универсальные комплексы: КПУ-1 производство «Калуга-путьмаш», УПМ-1 производства «ООО Ригель АВ - Белгород» и УПМ-750, созданный по заказу военного ведомства России специалистами компании «Брянский арсенал» совместно с коллегами из ОАО «192 Центральный завод железнодорожной техники»...
1. Безопасность движения железнодорожного транспорта напрямую определяются качеством проводимых работ при возведении, обслуживании и ремонте ВСП, одними из ключевых являются выправочно-подбивочные работы, выполняемые с использованием универсальных путевых комплексов.
2. Анализ рынка универсальных путевых комплексов показал, что их основным недостатком является низкий уровень автоматизации БВП, в частности, операций рабочего цикла подбивочного блока, которые включают в себя: опускание подбивочных блоков, принудительное заглубление подбоек, виброуплотнение балласта, раскрытие подбоек, подъем блоков. Замена действий оператора на автоматическое управляющее устройство может значительно улучшить качество закрепления выправленного пути и обеспечить требуемую степень и равномерность уплотнения балластного слоя на всей протяженности рабочего участка пути.
3. По результатам анализа экспериментальных данных о путевой машине ВПР- 1200, выделены основные показатели уплотнения балласта (степень уплотнения, равномерность уплотнения), которые характеризуют качество возведения ВСП.
4. Получена оценка требуемой степени уплотнения балласта для подбивочного
блока КПУ-1, равная 4-5% по относительной осадке, опираясь на следующие данные: коэффициент а = 1,65, определяющий степень использования для
уплотнения относительных перемещений при воздействии подбойки на балласт и при отдаче материала; коэффициент ft = 0,194, определяющий долю объема материала, охватываемого относительными перемещениями.
5. Анализ действующей системы управления процессом подбивки балласта показал, что степень и равномерность уплотнения балласта оценивается лишь визуально оператором БВП.
6. Принято решение о разработке БВП в составе путевого комплекса «ДСТ- Урал», отличающийся от КПУ-1 производства «Калуга-путьмаш» автоматизацией процесса подбивки балласта, с целью стабилизации на заданном уровне значений степени и равномерности уплотнения.
7. Установлено, что степень уплотнения определяется величиной времени вибровоздействия уплотнительного органа балласт; равномерность уплотнения обеспечивается стабилизацией давления, в гидроцилиндрах сжатия-разжатия подбоек.
8. Разработана функциональная схема системы автоматизации процесса подбивки балласта подбивочным блоком путевого комплекса «ДСТ-Урал», аппаратная часть остается неизменной, однако, программную часть необходимо разработать.
9. Разработано алгоритмическое обеспечение системы автоматизации процесса подбивки балласта, которое определяет последовательность операций рабочего цикла подбивочного блока (опускание подбивочных блоков, принудительное заглубление подбоек, виброуплотнение балласта, раскрытие подбоек, подъем блоков).
10. Проведен анализ следующих методов фильтрации сигнала чувствительного элемента: АВ фильтр Калмана, медианный фильтр, среднее арифметическое. Последний показал наименьшую погрешность определения уровня сигнала чувствительного элемента, прост в программной реализации, не требует большого объема вычислительных ресурсов и обладает достаточным быстродействием.
11. Разработанный алгоритм системы автоматизации процесса подбивки
балласта реализован на 5-ти языках программирования стандарта МЭК 61131-3 в BODAS-design - системе программирования контроллеров серии RC,
выпускаемых группой компаний «Bosch Rexroth AG»
2. Анализ рынка универсальных путевых комплексов показал, что их основным недостатком является низкий уровень автоматизации БВП, в частности, операций рабочего цикла подбивочного блока, которые включают в себя: опускание подбивочных блоков, принудительное заглубление подбоек, виброуплотнение балласта, раскрытие подбоек, подъем блоков. Замена действий оператора на автоматическое управляющее устройство может значительно улучшить качество закрепления выправленного пути и обеспечить требуемую степень и равномерность уплотнения балластного слоя на всей протяженности рабочего участка пути.
3. По результатам анализа экспериментальных данных о путевой машине ВПР- 1200, выделены основные показатели уплотнения балласта (степень уплотнения, равномерность уплотнения), которые характеризуют качество возведения ВСП.
4. Получена оценка требуемой степени уплотнения балласта для подбивочного
блока КПУ-1, равная 4-5% по относительной осадке, опираясь на следующие данные: коэффициент а = 1,65, определяющий степень использования для
уплотнения относительных перемещений при воздействии подбойки на балласт и при отдаче материала; коэффициент ft = 0,194, определяющий долю объема материала, охватываемого относительными перемещениями.
5. Анализ действующей системы управления процессом подбивки балласта показал, что степень и равномерность уплотнения балласта оценивается лишь визуально оператором БВП.
6. Принято решение о разработке БВП в составе путевого комплекса «ДСТ- Урал», отличающийся от КПУ-1 производства «Калуга-путьмаш» автоматизацией процесса подбивки балласта, с целью стабилизации на заданном уровне значений степени и равномерности уплотнения.
7. Установлено, что степень уплотнения определяется величиной времени вибровоздействия уплотнительного органа балласт; равномерность уплотнения обеспечивается стабилизацией давления, в гидроцилиндрах сжатия-разжатия подбоек.
8. Разработана функциональная схема системы автоматизации процесса подбивки балласта подбивочным блоком путевого комплекса «ДСТ-Урал», аппаратная часть остается неизменной, однако, программную часть необходимо разработать.
9. Разработано алгоритмическое обеспечение системы автоматизации процесса подбивки балласта, которое определяет последовательность операций рабочего цикла подбивочного блока (опускание подбивочных блоков, принудительное заглубление подбоек, виброуплотнение балласта, раскрытие подбоек, подъем блоков).
10. Проведен анализ следующих методов фильтрации сигнала чувствительного элемента: АВ фильтр Калмана, медианный фильтр, среднее арифметическое. Последний показал наименьшую погрешность определения уровня сигнала чувствительного элемента, прост в программной реализации, не требует большого объема вычислительных ресурсов и обладает достаточным быстродействием.
11. Разработанный алгоритм системы автоматизации процесса подбивки
балласта реализован на 5-ти языках программирования стандарта МЭК 61131-3 в BODAS-design - системе программирования контроллеров серии RC,
выпускаемых группой компаний «Bosch Rexroth AG»
