Ich funkcjonowanie uzależnione jest od możliwości komunikacji zarówno w obrębie pojazdu lub podstacji, jak i do centrum dyspozytorskiego. Stąd bardzo ważnym elementem wyposażenia są też systemy łączności. W artykule na przykładzie kolejnictwa przedstawiamy rozwiązania wykorzystywane w pojazdach szynowych - w pierwszej części opracowania, oraz w przypadku sieci trakcyjnej i podstacji zasilających, co opublikowane zostanie w kontynuacji artykułu.
Fot. 1. System sterowania i diagnostyki lokomotywy elektrycznej z rozruchem oporowym SySiD firmy Ente.
Pojazdy szynowe taboru kolejowego dzieli się na wagony, które służą do transportu ludzi i ładunków, oraz wyposażone w napęd i wytwarzające siłę pociągową pojazdy trakcyjne. W przypadku tych drugich są to głównie lokomotywy spalinowe oraz elektryczne. Te pierwsze, napędzane silnikami spalinowymi, są rozwiązaniami autonomicznymi, ponieważ nie muszą pobierać energii zasilającej z zewnątrz.
Dlatego wykorzystywane są zwykle tam, gdzie nieopłacalna jest budowa sieci trakcyjnej i podstacji elektroenergetycznych - na przykład na liniach lokalnych, w rejonach o niewielkim natężeniu ruchu lub na terenach, na których nie przeprowadzono jeszcze elektryfikacji.
Lokomotywy elektryczne są natomiast zasilane z zewnętrznej elektrycznej sieci trakcyjnej. Energia przekazywana jest do nich za pośrednictwem tzw. odbieraka prądu (pantografu). Jest on umieszczony na lokomotywie i ma bezpośredni kontakt z przewodami napowietrznej sieci trakcyjnej, z której pobiera prąd.
NAPĘDY LOKOMOTYW SPALINOWYCH I ELEKTRYCZNYCH
Rys. 1. Przetwornica ENI-PL3000/110DC - do zasilania z sieci trakcyjnej obwodów pomocniczych 110V w lokomotywach elektrycznych
Układy napędowe w lokomotywach spalinowych różnią się w zależności od rodzaju przekładni (mechanicznej, hydraulicznej, elektrycznej prądu przemiennego lub prądu stałego) przekazującej moment obrotowy z silnika na osie napędowe kół. Lokomotywy z przekładnią elektryczną (lokomotywy spalinowo-elektryczne) są spotykane najczęściej.
Układ napędowy tego typu składa się z prądnicy napędzanej silnikiem spalinowym, która zasila silnik elektryczny. Ten z kolei za pośrednictwem przekładni napędza zestawy kołowe lokomotywy. W przypadku pojazdów zasilanych z sieci trakcyjnej napięcia stałego wykorzystywane są silniki trakcyjne prądu stałego z rozruchem i regulacją prędkości za pośrednictwem rezystorów, tyrystorów lub tranzystorów IGBT.
W przypadku gdy wykorzystywane są elementy półprzewodnikowe, występują mniejsze straty energii niż w układach z rezystorami. Dlatego te pierwsze zdecydowanie częściej spotyka się w pojazdach szynowych poruszających się na krótszych trasach między postojami - na przykład w tramwajach niż w pociągach.
Inną możliwością jest wykorzystanie silników prądu przemiennego zasilanych przez przemienniki częstotliwości. Poza silnikami trakcyjnymi w elektrycznych pojazdach trakcyjnych i w spalinowo-elektrycznych wykorzystuje się też silniki pomocnicze. Napędzają one na przykład wentylatory lub sprężarki.
Urządzenia sieciowe dla transportu szynowego
Urządzenia te spełniają normy określone przez obowiązujący w aplikacjach kolejowych standard EN 50155. Dostępne są one w metalowej, szczelnej obudowie o stopniu ochrony IP65. Ich konstrukcja jest specjalnie wzmacniana, nie mają też żadnych komponentów wrażliwych na wstrząsy. Zakres temperatur pracy wynosi od -40 do +70°C, dodatkowo zaimplementowano w nich rozwiązania zwiększające niezawodność transmisji. Przykładem jest obsługa protokołu FRNT (Fast Recovery of Network Toplogy), który zapewnia szybką rekonfigurację w przypadku wystąpienia awarii sprzętu lub utraty połączenia oraz rozwiązania gwarantujące wymagany w aplikacjach czasu rzeczywistego determinizm sieci. Zaawansowana funkcjonalność z obsługą do 64 sieci VLAN w połączeniu z potokołami warstwy 3 pozwala na zapewnienie bardzo wysokiego poziomu bezpieczeństwa (VRRP, NAT, Port Forwarding Firewall IPSec,VPN). |
Urządzenia sieciowe pracujące w pociągach powinny charakteryzować się dużą wytrzymałością oraz odpornością na trudne warunki otoczenia. W tym specyficznym zastosowaniu są one bowiem narażone na różne niekorzystne czynniki, takie jak naprężenia mechaniczne, dużą wilgotność, wahania temperatury, zanieczyszczenia i pyły oraz ciągłe wibracje i wstrząsy. Przykładem urządzeń o wzmocnionej konstrukcji, które produkowane są z myślą o wykorzystaniu w kolejnictwie, są zarządzane switche warstwy 3 z serii Viper 212 firmy Westermo, które w swojej ofercie ma Tekniska Polska.PRZETWORNICA GŁÓWNA
Rys. 2. Przetwornica ENIPL110/400AC - do zasilania trójfazowych odbiorników z pokładowej sieci 110V lokomotywy elektrycznej
Niezbędnym elementem wyposażenia pojazdów trakcyjnych elektrycznych oraz spalinowych z przekładnią elektryczną są przetwornice. W tych pierwszych obniżają one napięcie stałe 3kV z sieci trakcyjnej do napięcia stałego 110V. Jest ono dalej wykorzystywane do zasilania obwodów pomocniczych lokomotywy, takich jak systemy sterowania, oświetlenia, sygnalizacji, a także do ładowania akumulatorów, które zasilają obwody elektryczne pojazdu trakcyjnego, gdy w czasie postoju przetwornica jest wyłączona.
Podobną funkcję przetwornice pełnią w pojazdach spalinowych, gdy do zasilania obwodów lokomotywy wymagane jest inne napięcie niż to uzyskiwane z prądnicy. Przykładem takiego urządzenia jest przetwornica statyczna ENI-PL3000/110DC produkowana przez Zakład Elektroniki Przemysłowej Enika w Łodzi (rys. 1). Jej podstawowe komponenty to: filtr tłumiący wyższe harmoniczne oraz przepięcia (Z1), wysokonapięciowy falownik z tranzystorami IGBT (U1), transformator mocy (T) zapewniający separację galwaniczną między wejściem i wyjściem oraz układ prostownika (U2) i filtr napięcia wyjściowego (Z2).
Częścią przetwornicy jest również układ sterowania (A), za pośrednictwem którego łączem światłowodowym do sterownika lokomotywy przesyłane są sygnały diagnostyczne (GP i PP) informujące o parametrach pracy przetwornicy. W przypadku niesprawności któregoś z podzespołów lub otwarcia pokrywy przetwornica zostaje automatycznie odłączona od zasilania zewnętrznym stycznikiem. W ENI-PL3000/110DC zamontowano też wewnętrzny wentylator (W).
PRZETWORNICE POMOCNICZE
Oprócz przetwornicy głównej w pojazdach trakcyjnych instalowane są też przetwornice i przekształtniki pomocnicze. Zasilają one na przykład wentylatory chłodzące silniki trakcyjne, sprężarki oraz wentylatory rezystorów hamowania, jak również systemy oświetlenia zewnętrznego lokomotywy. Przykładem jest przetwornica statyczna ENI-PL110/400AC przeznaczona do zasilania trójfazowych odbiorników z pokładowej sieci 110VDC lokomotywy elektrycznej (rys. 2).
Napięcie wejściowe jest w niej doprowadzane przez dławik wejściowy (L1) do przekształtnika podwyższającego (U1) wytwarzającego stabilizowane napięcie pośrednie, które jest dalej doprowadzane do trójfazowego falownika wyjściowego (U2). Przetwarza on stałe napięcie pośrednie na zmodulowane wyjściowe napięcie trójfazowe o stabilizowanej częstotliwości 50Hz. W celu ograniczenia zawartości harmonicznych napięcia i prądu zastosowano wyjściowy filtr trójfazowy (Z).
Przetwornice i przekształtniki są też instalowane w wagonach. Są to zarówno urządzenia, które przetwarzają napięcie z sieci trakcyjnej doprowadzane do wagonów z lokomotywy za pośrednictwem gniazd elektrycznych, jak i napięcie pokładowe np. 110V, na napięcie potrzebne do zasilania obwodów pomocniczych w wagonach. Przykładem odbiorników w wagonach są systemy oświet lenia, ogrzewania (konwekcyjnego lub nawiewnego) oraz klimatyzacji.
Lokomotywa E6ACT-Dragon
Układ pneumatyczny lokomotywy stanowi blok zasilania oraz przygotowania powietrza (dwie jednostopniowe, chłodzone powietrzem sprężarki śrubowe), blok sterujący, instalacja pneumatyczna i elementy wykonawcze. Lokomotywę wyposażono w hamulec mechaniczny tarczowy, elektrodynamiczny oraz postojowy sprężynowy. Obwód główny wysokiego napięcia w E6ACT-Dragon stanowią:
Urządzenia pomocnicze są w lokomotywie E6ACT zasilane przez zespół przetwornic statycznych. Pojazd jest również wyposażony w akumulatory o pojemności 100Ah. Podstawowym komponentem systemu sterowania pojazdem jest sterownik główny, który nadzoruje pracę lokomotywy, kontroluje polecenia wydawane przez maszynistę, steruje wybranymi komponentami obwodu głównego i obwodów pomocniczych oraz kontroluje sterownik napędu odpowiadający za rozruch. Rozruch i hamowanie są kontrolowane przez układ przeciwpoślizgowy. W przypadku jego wystąpienia system automatycznie obniża moment zadawany na oś, która wpadnie w poślizg, a gdy to nie wystarcza, włącza piaskowanie aż do odzyskania przyczepności. |
Lokomotywa elektryczna E6ACT-Dragon do prowadzenia składów towarowych to wspólny projekt Zakładów Naprawczych Lokomotyw Elektrycznych, firmy EC Engineering oraz Instytutu Elektrotechniki. Zespół napędowy składa się z silnika trakcyjnego asynchronicznego o mocy 834kW, przekładni oraz zestawu kołowego w postaci osi oraz pary kół monoblokowych.
Te ostatnie składają się z:SYSTEMY HAMOWANIA
Rys. 3. W systemie zarządzania pociągiem firmy EKE Electronics komunikacja między poszczególnymi komponentami i systemami jest realizowana z wykorzystaniem standardowej sieci TCN, jak również Ethernetu i sieci CAN. Przewidziano też możliwość wymiany danych z zajezdnią drogą radiową
Głównym systemem hamulcowym w pociągach jest tzw. pneumatyczny hamulec zespolony. Do sterowania nim wykorzystuje się sygnały pneumatyczne uzyskiwane przez zmianę ciśnienia w głównym przewodzie przebiegającym przez wszystkie pojazdy składu. Sygnały te są odbierane w wagonach przez specjalne zawory, które odpowiednio regulują ciśnienie powietrza w cylindrach hamulcowych zasilanych ze zbiornika pomocniczego.
Siła sprężonego powietrza jest dalej za pośrednictwem przekładni przenoszona na elementy hamulca klockowego lub tarczowego zamontowanego na zestawach kołowych. Odmianą tego systemu jest hamulec elektropneumatyczny, czyli hamulec pneumatyczny sterowany sygnałami elektrycznymi, które w czasie hamowania bezpośrednio otwierają dopływ sprężonego powietrza ze zbiorników pomocniczych do cylindrów hamulcowych.
Innym stosowanym rozwiązaniem jest tzw. hamowanie elektrodynamiczne, w którym silniki trakcyjne przełączane są w tryb pracy prądnicy. Hamulec tego typu może współdziałać z hamulcem zespolonym lub służyć tylko jako oddzielny hamulec do zatrzymania lokomotywy. W metodzie tej można też zrealizować tzw. hamowanie z odzyskiem, w którym część energii kinetycznej traconej na ciepło jest zamieniana w użyteczną energię elektryczną. Można ją później wykorzystać na przykład do zasilania systemów oświetlania lub ogrzewania w pojeździe lub zmagazynować w akumulatorach.
KOMUNIKACJA W POCIĄGACH
W pociągach wykorzystuje się zarówno sieci przewodowe, jak i łączność bezprzewodową. Ta druga służy głównie do zapewniania komunikacji między maszynistą i centrum dyspozytorskim, między pracownikami przemieszczającymi się w obrębie danego składu lub między nimi i maszynistą.
Komunikacja przewodowa w ramach tzw. sieci TCN (Train Communication Network) zestandaryzowanych w normie IEC 61375 zapewnia natomiast łączność między różnymi urządzeniami i systemami w lokomotywie lub w wagonach. W ten sposób następuje wymiana informacji np. między systemem sterowania i czujnikami monitorującymi pracę układu napędowego i hamulców, przesyłane są informacje wizualne i audio dla pasażerów, steruje się oświetleniem, klimatyzacją, ogrzewaniem pojazdów oraz drzwiami zewnętrznymi.
Jako medium transmisyjne w sieciach TCN wykorzystuje się skrętkę ekranowaną - jest ona zalecana w tzw. szynie WTB (Wire Train Bus) oraz skrętkę i łącza światłowodowe w magistrali MVB (Multifunction Vehicle Bus). Ta pierwsza używana jest w łączności na większe odległości (do 860 m bez repeatera), czyli np. między wagonami, natomiast w ramach magistrali MVB realizuje się łączność na mniejsze odległości, np. w obrębie jednego pojazdu. Coraz częściej w komunikacji w transporcie szynowym jest też używany Ethernet (rys. 3).
Dr inż. Janusz BilińskiDyrektor ds. rozwoju trakcji MEDCOM Sp. z o.o.
Pojazdy szynowe i infrastruktura trakcyjna w Polsce podlegają ciągłym zmianom. Nowoczesne tramwaje i pociągi spotykamy codziennie, powstaje druga linia metra, a modernizacja linii kolejowych jest realizowana na niespotykaną jak dotąd skalę. W przyszłości ma powstać linia kolei dużych prędkości, która połączy miasta Polski z siecią podobnych kolei europejskich. Szybki rozwój infrastruktury i zamówienia taborowe są szansą dla rozwoju polskich firm, które mają bogate doświadczenia w produkcji i modernizacji taboru kolejowego i tramwajowego z wykorzystaniem nowych technologii. Wprowadzanie nowych konstrukcji to także szansa rozwoju firm specjalizujących się w nowoczesnych rozwiązaniach energoelektronicznych.
Dotyczą one przede wszystkim napędu, zasilania i sterowania pojazdami. Opracowana w naszej firmie seria tranzystorowych przetwornic statycznych i napędów asynchronicznych znalazła zastosowanie w autobusach szynowych, nowych i modernizowanych elektrycznych zespołach trakcyjnych, lokomotywach, tramwajach (Swing i Tramino) oraz w metrze (São Paulo). Oferowane zaś przez nas nowoczesne układy napędowe umożliwiają prawidłowy rozruch oraz hamowanie bezpoślizgowe ze zwrotem energii, jak również pracę przy szerokim zakresie zmian napięcia w sieci trakcyjnej. W nowoczesnych pojazdach pasażerskich wszystkie systemy muszą ze sobą współpracować i być odpowiednio sterowane. Opracowany w firmie MEDCOM system sterowania i monitorowania TCMS dla pojazdów i zespołów trakcyjnych zapewnia kompleksowe oraz niezawodne sterowanie pociągu. System ten zawiera wewnętrzne algorytmy zabezpieczające przed przypadkowymi, nieprawidłowymi czynnościami obsługowymi. Zastosowany w elektrycznym zespole trakcyjnym 19WE (20WE) charakteryzuje się bardzo dużą skutecznością i niezawodnością. |
STEROWANIE LOKOMOTYWĄ
Tabela. 1. Dane kontaktowe do firm wymienionych w tekście
Podstawą działania każdego systemu sterowania lokomotywą jest diagnostyka pracy jej poszczególnych urządzeń i obwodów. Monitorować i rejestrować należy przede wszystkim obwód zasilania, którego częścią są m.in. odbierak prądu i wyłącznik szybki oraz system hamulcowy, w przypadku którego kontrolować należy ciśnienie powietrza w przewodzie głównym i w cylindrze.
Maszynista powinien być też na bieżąco informowany o stanie urządzeń pomocniczych, na przykład przetwornic, sprężarek i układów wentylacji oporników rozruchowych oraz silników trakcyjnych, w tym m.in. o ich parametrach elektrycznych, gotowości do pracy lub wystąpieniu przeciążenia lub innej awarii.
Oprócz tego ważny jest na przykład pomiar temperatury łożysk oraz monitoring pracy urządzeń przeciwpoślizgowych. Przykładem systemu sterowania, w którym zaimplementowano opisane funkcje, jest układ sterowania i diagnostyki lokomotywy elektrycznej z rozruchem oporowym SySiD firmy Ente.
Jego podstawowe komponenty to panel operatorski z wyświetlaczem, sterownik główny, sterownik pomiarowy, moduł lokalizacji i transmisji danych, rejestrator formalno-prawny oraz sterownik jazdy uproszczonej. Ten ostatni jest dodatkowym, niezależnym urządzeniem, które w razie awarii jednostki centralnej umożliwia utrzymanie kontroli nad pojazdem do czasu bezpiecznego zjechania ze szlaku.
Poszczególne moduły połączone są łączem światłowodowym. W standardzie systemu SySiD instalowane są też m.in. urządzenia umożliwiające sterowanie drzwiami oraz oświetleniem. Dodatkowo system może zostać rozbudowany np. o system informacji pasażerskiej, zliczania pasażerów, emisji reklam oraz monitoringu i wideorejestracji (fot. 1).
Monika Jaworowska
