Архивы: по дате | по разделам | по авторам

Контроллер контроллеру рознь: Паровозные технологии XXI века

Архив
автор : Анатолий Сорокин   14.12.2006

В своей предыдущей статье "IT-технологии Бога Войны" ("КТ" #644-645) автор попытался сделать анализ применения и применимости современного хайтека к реалиям современной артиллерии.

В своей предыдущей статье "IT-технологии Бога Войны" ("КТ" #644-645) автор попытался сделать анализ применения и применимости современного хайтека к реалиям современной артиллерии. С учетом обсуждения статьи на разных форумах военно-технической направленности, итоговое заключение было приблизительно таким: от хайтека никуда не уйти, он будет внедряться, даже несмотря на падение общего уровня математической квалификации артиллеристов - без современной электроники точность огня и быстрота реакции на меняющуюся обстановку существенно хуже, чем с ней.

Однако и старые бескомпьютерные методы никто в отставку не отправит - есть ситуации, когда электронная начинка будет только лишним весом. Проводя аналогию с компьютерным миром, можно сказать, что произойдет переход из программистов в пользователи, когда понимание принципов построения и работы программы заменяется на зубрежку пользовательского интерфейса. Кое-кто, правда, останется "артиллеристом-программистом", но, развивая эту аналогию дальше, можно сказать, что программировать он будет не на ассемблере или C, а на встроенном в уже разработанную систему интерпретируемом языке вроде JavaScript. Такой в общем-то очевидный вывод применим не только к артиллерии в частности или военному делу в целом, но и к громадному количеству других сфер человеческой деятельности. Об одном таком частном случае автору и хотелось рассказать в этой статье.

Так уж получилось, что помимо артиллерии автор очень сильно неравнодушен к городскому наземному электротранспорту (ЭТ) - трамваям и троллейбусам. В последние годы во многих странах мира наблюдается возрождение интереса к этим видам транспорта в свете дороговизны топлива, заботы об экологической обстановке, борьбы с дорожными пробками - трамваи вернулись в Париж, Лондон, Афины, есть планы по возрождению троллейбусов в Риме. В нашей стране тенденция обратная - ЭТ становится все больше похожим на шагреневую кожу - Архангельск, Шахты уже распрощались с трамваем, под вопросом остается существование ЭТ-систем в Воронеже и даже Санкт-Петербурге. Однако этот вопрос лежит вне тематики "КТ", автор только хочет высказать свое желание гармоничного развития всех видов транспорта - как внеуличного (метро, фуникулеры), так и уличного - трамваев, автобусов, троллейбусов, личных автомобилей граждан, чтобы каждый из нас имел возможность воспользоваться любым из них, когда в этом возникнет необходимость.

С точки зрения информационных технологий электротранспорт интересен своей историей развития управляющих устройств тяговыми электродвигателями (ТЭД) подвижного состава. Казалось бы, чего проще, замыкай рубильник и поехали! Однако с самого начала все оказалось не так просто. Для того чтобы плавно сдвинуть с места рельсовый или шинный экипаж (напомним, что первые трамвай и троллейбус были пущены фирмой Siemens - не последним игроком в IT-сфере - в 1881 и 1882 году соответственно), необходимо столь же плавно увеличивать ток в якоре и обмотке возбуждения ТЭД. В противном случае стартовое ускорение будет таким, что пассажиры имеют реальный шанс вылететь из экипажа и получить серьезные травмы. Также стоит заметить, что во время пуска-торможения сила тока в этих обмотках достигает сотен ампер, а переменные резисторы с механическим скользящим контактом (вроде регулятора громкости в переносном плеере) для таких токов до сих пор не созданы. Поэтому на конец XIX века единственным решением стало регулирование тока в обмотках ТЭД путем присоединения к ним ограничительного сопротивления, номинал которого можно изменять путем различного подключения нескольких постоянных резисторов. К примеру, если мы имеем всего лишь два резистора номиналом в 1 Ом, то из них можно получить общее сопротивление в 2 Ом, если включить их последовательно или 0,5 Ом, если включить их параллельно. Если резисторов больше чем два, то комбинаций их подключения становится еще больше и в итоге можно получить практически плавное изменение подключенного к ТЭД сопротивления. Знакомые с устройством цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) на резисторных матрицах люди не найдут в этом принципе ничего нового. В ЦАП коммутацией резисторной матрицы занимается специализированная схема - контроллер, и в трамвае или троллейбусе устройство, ответственное за ту же функциональность, называется точно так же. Демонстрацию работы контроллера троллейбуса МТБ-82 (рис. 1) можно посмотреть на http://tramnn.narod.ru/museum/mtb82/tech/cntrllr.html.

У первых машин конца позапрошлого и начала прошлого века правильную последовательность коммутации пускотормозных сопротивлений мог выполнить только человек, и контроллер представлял собой всего лишь вал с рукояткой, на который насаживались кулачки, замыкавшие и размыкавшие сильноточные контакторы силовой цепи ТЭД (рис. 3). Как долго держать ту или иную позицию контроллера, целиком отдавалось на усмотрение водителя. Замешкавшись с переключением, можно было запросто превысить допустимый ток в цепи и сжечь пускотормозные сопротивления, а вместе с ними иной раз и весь вагон. Экономичность с точки зрения расхода электроэнергии была "ниже плинтуса", но про простоту и безотказность подобных устройств сейчас ходят легенды. С помощью кувалды, лома и какой-то матери неисправный контроллер ремонтировался за разумное время в полевых условиях. Работа с таким агрегатом быстро наращивала приличную мускулатуру на левой руке даже у девушек-водителей субтильной комплекции. Трамваи с такой непосредственной системой управления (НСУ) током через ТЭД работали в СССР вплоть до начала 1980-х годов (рис. 2). Однако рекорд был поставлен в далеком австралийском городе с красивым названием Аделаида, где трамваи начала 1920-х исключительно обслуживали перевозки вплоть до июля 2006 года. Даже после покупки новых ультрасовременных трамваев пять старых вагонов оставили для музейных и туристических целей, но НСУ на них будет заменена на современное оборудование с целью повышения удобства работы водителя и безопасности пассажиров.


Развитие электромеханических управляющих устройств (реле и сервомоторов) в середине 1930-х гг. позволило появиться идее косвенного управления ТЭД. Пусть водитель только определяет, что нужно от ТЭД - набирать или сбрасывать скорость, а формирование точной временной последовательности замыкания-размыкания контактов будет возложено либо на релейную схему, либо на сервомотор, вращающий тот самый вал с кулачками. Тем самым убитыми оказывались сразу три зайца:

  • контроллер работал по жестко заданной механическими характеристиками (упругость язычков в реле, угловая скорость вращения сервомотора) программе, исключая перегрев и возгорание пускотормозных сопротивлений;
  • реле и сервомотор запитывались от низкого напряжения, их можно было разместить вне кабины водителя и вынести оттуда всю высоковольтную часть, что резко уменьшило число электротравм. Теперь высоковольтные контакторы размещались либо под полом, либо на крыше, либо в специальном ящике вдали от водителя и пассажиров.
  • Ставшая легендой тугая ручка-кофемолка ушла в прошлое. Ее заменила гораздо более легкая и удобная ручка низковольтной части или вообще педальный узел управления контроллером.

    Первым серийным советским трамваем с такой косвенной автоматической реостатно-контакторной системой управления (РКСУ) стал рижский РВЗ-6 в 1960 году. Аналогичным советским троллейбусом был энгельсский ЗиУ-5 (рис. 4), впервые вышедший на линии в 1959 году. РВЗ-6 до сих пор еще работают в некоторых городах СНГ (Минск, Казань), ЗиУ-5 остались только как музейные, но примененный на них принцип живет и здравствует вплоть до настоящего времени. У завода-производителя сменилось название, много новшеств было придумано и успешно применено на практике, но в теперешней России самые распространенные модели троллейбусов АО "Тролза" ЗиУ-682Г-012 и ЗиУ-682Г-016 (рис. 6) до сих пор комплектуются все той же РКСУ. Причины понятны - дешево и сердито, и полная нечувствительность к электромагнитным помехам. К упомянутому выше ремкомплекту (лом, кувалда, какая-то матерь) добавились еще и отвертка, набор гаечных ключей с авометром, что с ворчанием, но было в целом адекватно воспринято обслуживающим персоналом. Однако возможность ремонта в полевых условиях РКСУ уже потеряла.

    Если взглянуть на все устройство в целом с теоретической точки зрения, то РКСУ является самым настоящим электромеханическим цифровым автоматом - на входе имеется номер позиции контроллера ("0", "ход 1", "ход 2", "тормоз" и т. д.), на выходе - определенное состояние группы контакторов. Это состояние вполне естественно характеризовать двоичным числом, в котором каждый разряд соответствует своему контактору, а значение разряда - его состоянию "замкнут-разомкнут". Выходное значение зависит не только от входа, но и от своего предыдущего состояния, например в троллейбусах ЗиУ-682 запрещается разгон, пока контроллер не вернется в позицию "0" - нет ни разгона, ни торможения. После этого последовательность разгона повторяется заново. НСУ с этой точки зрения являлась всего лишь комбинаторной схемой - входу (положению ручки-кофемолки) взаимно и однозначно соответствовал выход (замкнутые-разомкнутые контакторы).

    Следующий шаг в свете развития теперь уже электроники вроде понятен - заменить электромеханический контроллер на чисто электронный, но 1970-е принесли с собой совершенно другой, но тоже электронный принцип управления ТЭД. Стремление к экономии электроэнергии поставило вполне здравый вопрос - а можно ли обойтись без пусковых сопротивлений, в которых электричество бесцельно превращается в тепло и снижает КПД всего транспортного средства в целом? И ответ был найден: да, можно, если сделать ток, протекающий через ТЭД, не постоянным, а импульсным. Меняя тактовую частоту и скважность последовательности импульсов, можно изменять средний ток, протекающий через ТЭД и управлять его вращающим моментом. Во всем этом был один принципиальный момент: такая система управления уже не может быть электромеханической, она становится чисто электронной. Формирование импульсов производится интегральными цифровыми логическими схемами, а коммутация сильноточной цепи осуществляется мощными тиристорами. Поэтому все устройство получило название ТИСУ - тиристорно-импульсная система управления. Ее внедрение сулило очень большие выгоды с точки зрения экономичности, и Министерство жилищно-коммунального хозяйства, заведовавшее электротранспортом в СССР, вовсю настаыивало на разработке и производстве такой техники.


  • Однако гладко было на бумаге, да забыли про овраги… Сильноточная электроника для гражданских нужд, мягко говоря, страдала большим количеством брака. По этой причине провалилась разработка перспективного трамвая РВЗ-7 (рис. 5). Троллейбусники преуспели больше - сочлененные троллейбусы ЗиУ-683 получили новую электронику, а трамвайщикам так и пришлось импортировать чешские "Татры" Т6В5, где проблем с надежностью электроники не было. Проблемы заключались в другом - теперь для обслуживания новых машин требовался персонал, знакомый не только с отверткой и авометром, но и с паяльником, осциллографом, частотомером. Наладчику и ремонтнику ТИСУ недостаточно знания электрики, ему нужно знать электронику, как аналоговую, так и цифровую. Кувалда и лом больше в его работе не помогут. Поэтому ТИСУ стала уделом довольно немногочисленного круга ЭТ-хозяйств СССР.



    Развал СССР фактически похоронил отечественную отрасль электротранспортного машиностроения. Какое-то время стоял даже вопрос о полном сворачивании трамвайного и троллейбусного производства, но некоторая стабилизация экономики позволила производителям вновь получить заказы на свою продукцию. А тем временем мировые лидеры уже вовсю серийно производили машины с асинхронными бесколлекторными ТЭД, где преобразование постоянного тока в необходимый для работы двигателя многофазный переменный осуществляется электронным блоком с микропроцессорным управлением. Попытки создать свой аналог этой системы пока исчисляются единичными машинами и вагонами. Однако внедрение новых технологий все равно не остановить, какой бы надежной ни была РКСУ и как бы ни любили ремонтники кувалду с ломом. Но порой новшества приобретают довольно причудливую форму: ЗАО "Канопус" усовершенствовало… все ту же РКСУ озвученным выше путем - вместо электромеханического управляющего блока на трамваях КТМ-19КТ (рис. 9) был установлен его электронный микропроцессорный аналог. Таким образом, электротехнический и электронный контроллеры после долгой раздельной эволюции пришли к "единому знаменателю". Этот тип системы управления получил название контакторно-транзисторной (КТСУ) (рис. 8). Когда первый такой вагон еще был в пути в родной для автора Нижний Новгород, директор депо №1, к которому этот КТМ-19КТ оказался приписан (а там работали только с РКСУ), всерьез говорил о том, что от прогресса никуда не деться, как бы он ни был непривычен и сложен на первый взгляд. И новый вагон… успешно освоили, от кувалды с ломом сразу шагнув к ноутбуку с диагностическим программным обеспечением и электронной почте, чтобы оперативно получать обновления микрокода от производителя и отсылать ему записи параметров для продвинутого анализа. Да уж, воистину не боги горшки обжигают! Этот вагон и еще четырнадцать его собратьев с КТСУ бегают по улицам древнего Нижнего, исправно доставляя пассажиров по назначению. А с другой стороны, мастерам, детально знающим устройство РКСУ и ТИСУ, уже не найти в перспективе своих преемников и в случае прекращения выпуска электронных блоков КТСУ первая ее поломка поставит КТМ-19КТ на прикол - программа для контроллера является проприетарной собственностью, сомнительна возможность ремонта или изготовления печатных плат в деповских условиях. А РКСУ и ТИСУ при наличии отнюдь не заумных и засекреченных комплектующих вполне могут быть починены самостоятельно силами деповчан. Потому что лучше для трамвайщиков - прогрессивные КТСУ/асинхронники или традиционные НСУ/РКСУ/ТИСУ - никто не знает.


    В свою очередь, "КТ" не раз писала о живучести "паровозных технологий" в информационной сфере, которые, несмотря на все прогрессивные новшества, вполне благополучно живут и здравствуют вплоть до настоящего времени. И если применительно к военному делу такое положение вещей вполне можно объяснить его спецификой, то рассмотренный в этой статье пример электротранспорта свидетельствует об универсальной природе этого явления. Настолько универсальной, что в свете этих соображений автору не хотелось апгрейдить свой компьютер, поскольку с каждым последующим апгрейдом все меньшим и меньшим становится детальное понимание принципов его работы, а следовательно, и власть над машиной. Только такой софт, как Heroes of Might & Magic V, Oblivion, Готика III и "Вторая Мировая", на старом компьютере не запускается… Решение пришло само собой - купить новый компьютер и не выбрасывать старый, проверенный шестилетней бессбойной эксплуатацией. Вот и к трамвайщикам пожелание - получая новые КТМ-19КТ, не спешите резать старенькие КТМ-5. Пригодятся и те и другие.

    Если есть желание более подробно познакомиться с описанными в статье понятиями и техникой, привожу набор ссылок на соответствующие ресурсы:

  • http://tramnn.narod.ru/cars/t6b5/index.html
  • http://tramnn.narod.ru/history/cars/rvz6.html
  • http://tramnn.narod.ru/cars/ktm19/index.html  
  • http://tramnn.narod.ru/museum/ziu5/index.html  
  • © ООО "Компьютерра-Онлайн", 1997-2021
    При цитировании и использовании любых материалов ссылка на "Компьютерру" обязательна.