Система управления тяговым электроприводом карьерных автосамосвалов (СУТЭП): текущее состояние и перспективы развития

В настоящее время во многих хозяйствах эксплуатируются карьерные самосвалы БелАЗ грузоподъемностью 120 … 220 т с электромеханической трансмиссией переменно-постоянного тока. До 2003 г. на самосвалах применялись аналоговая и цифро-аналоговая системы автоматического управления тяговым электроприводом, которые строились по принципу так называемой жёсткой логики. Несмотря на высокое быстродействие, эти системы имели ряд недостатков, основными из которых были невысокая надежность и неудобство эксплуатации.

Жесткая логика управления тяговым электроприводом обеспечивалась на основе алгоритма, который был реализован на аналоговых и цифровых радиоэлементах. Для корректировки этого алгоритма требовалась доработка аппаратуры системы управления. В системах использовалось большое количество регулировок, что значительно увеличивало время наладки. Элементная база системы управления не обеспечивала стабильность параметров, поэтому требовалась их периодическая регулировка.

Для повышения надежности и улучшения тягово-динамических характеристик большегрузных автосамосвалов специалистами БелАЗа совместно со специалистами фирмы «ЭНТАС» (г.Минск) была разработана система управления тяговым электроприводом нового поколения на основе программируемых контроллеров, которые позволяют создать алгоритм управления любой степени сложности в реальном масштабе времени.

В системе управления автосамосвала были применены промышленные контроллеры австрийской фирмы В&R. За основу новой системы были взяты принципы управления, логика и алгоритмы работы цифро-аналоговой системы управления, разработанной еще в 90-х годах прошлого столетия.

В созданной системе связь между контроллером и управляющими блоками была организована на основе САN-интерфейса, что значительно повысило гибкость системы в целом, обеспечило передачу данных в реальном масштабе времени и коррекцию ошибок с высокой помехоустойчивостью, упростило жгутовые соединения силового шкафа автосамосвала.

С начала 2003 г. эта версия СУТЭП была установлена на так называемую «Айхальскую серию» карьерных автосамосвалов БелАЗ-75131 грузоподъёмностью 130 т, которая в настоящее время успешно эксплуатируется в хозяйствах.

В том же году специалистами ООО «ВИСТ Групп» совместно с ПО «БелАЗ» была разработана более совершенная система управления тяговым электроприводом — СУТЭП-01, которая стала основной для оснащения серийного ряда большегрузных автосамосвалов от 120 до 220 т (модели БелАЗ 75145, 75131 и 75306). С ноября 2003 г. СУТЭП-01 стал поставляться на конвейер завода. В настоящее время уже выпущено более трехсот комплектов данного оборудования.

Аппаратура СУТЭП-01 обеспечивает:

• автоматическое управление тяговым электроприводом автосамосвала в статическом и динамическом режимах его работы;
• визуальный контроль параметров электропривода, что значительно упрощает диагностику его отказов;
  
• идентичность аппаратуры режимной автоматики для различных моделей самосвалов.
  

Основой СУТЭП-01 являются шкаф электронной системы управления  ЭСУТЭП на программируемом контроллере B&R, модули высоковольтных сенсоров МВС-01, блок управления возбуждением генератора БУВГ-02 и панель оператора типа 4В1270,  связанные между собой CAN-шиной. В СУТЭП-01 реализовано плавное управление полем возбуждения тяговых электродвигателей автосамосвала на тиристорах.

По сравнению с цифро-аналоговой системой управления СУТЭП-01, имеет ряд преимуществ, к которым относятся в частности:

• гибкость системы, обеспечивающая наладку ее параметров под конкретный тип автосамосвала;
• автоматизация настройки параметров тягового электропривода;
• стабильность «эталонной» настройки параметров электропривода как на этапе производства, так и в процессе его эксплуатации (необходимые параметры электропривода быстро и легко задаются с помощью программ наладки Auto Visual  и Strim Shell, оставаясь неизменными после наладки на заводе, а в случае снижения мощности  дизеля в результате длительной эксплуатации самосвала они могут корректироваться);
• удобство и простота обнаружения неисправностей: программа наладки Auto Visual обеспечивает визуальную диагностику шкафа ЭСУТЭП, контроль напряжения бортовой сети, контроль аналоговых входов и др.;
  
• на панели оператора в кабине водителя в случае возникновения неисправности отображается конкретный вид аварии, например, превышение допустимого тока силовой цепи и др., что значительно облегчает поиск  неисправности в тяговом электроприводе самосвала;
• возможность совершенствования диагностики системы;
• меньшее количество электронных блоков.
  

Применение программируемых контроллеров в составе системы управления тяговым электроприводом значительно повысило надежность системы и коэффициент готовности автосамосвалов в целом. Средний срок службы СУТЭП-01 составляет не менее десяти лет. В настоящее время сервисное обслуживание карьерной техники, оборудованной СУТЭП-01, осуществляется через созданные региональные центры ООО «ВИСТ Групп» в Кузбассе (г. Кемерово), Украине (г. Кривой Рог) и на Кольском полуострове (г. Апатиты).

Для наладки и диагностики СУТЭП-01 используется комплект наладчика (ноутбук со специальным программным обеспечением и оборудованием), обеспечивающий быстрый дистанционный контроль работоспособности системы управления в режиме реального времени, корректировку ее параметров и инсталляцию программного обеспечения контроллеров шкафа ЭСУТЭП, блоков МВС-01 и БУВГ-02. Отметим, что для обслуживания СУТЭП-01 необходим более высокий уровень квалификации специалистов, чем это требовалось раньше. Поэтому вопросу подготовки специалистов следует уделять особое внимание.

В связи с тем, что схема плавного управления ослаблением поля возбуждения тяговых электродвигателей на тиристорах показала недостаточную надежность, в конце 2004 года специалистами ПО «БелАЗ» совместно со специалистами «ВИСТ Групп» была разработана усовершенствованная система управления тяговым электроприводом СУТЭП-02. В отличие от СУТЭП-01, где реализовано плавное управление полем возбуждения тяговых электродвигателей автосамосвала, в СУТЭП-02 осуществлен переход на ступенчатое ослабление поля с помощью контакторов.

Главной особенностью  СУТЭП-02, является то, что  вместо шкафа ЭСУТЭП установлен блок управления электроприводом БУЭП с аналогичными функциональными возможностями. Он полностью совместим со шкафом управления автосамосвала.

Блок БУЭП в отличие от шкафа ЭСУТЭП реализован на основе процессора Infineon. Конструктивно блок реализован в виде крейтовой системы и по габаритам на треть меньше шкафа ЭСУТЭП.

Блок имеет более надежное питание и более совершенную систему защиты входных и выходных цепей от постоянного напряжения до 100В. В существующей  системе управления тяговым электроприводом СУТЭП-01 работоспособность аппаратуры сохраняется в диапазоне напряжений бортовой сети от 18 до 32В.

С февраля 2005 г. СУТЭП-02 в составе карьерного самосвала БелАЗ 75171 грузоподъемностью 160 т успешно проходит эксплуатационные испытания в условиях угольного карьера Южного Кузбасса. По результатам испытаний, которые еще продолжаются, специалистами БелАЗа это оборудование рекомендовано к производству опытно-промышленной партии.

В настоящее время специалистами «ВИСТ Групп» разработана новая управляющая программа шкафа ЭСУТЭП, реализующая алгоритмы плавного и ступенчатого управления ослаблением поля, возбуждения тяговых электродвигателей автосамосвала. Согласованы вопросы по доработке его принципиальной схемы. Это позволит устанавливать серийно выпускаемые шкафы ЭСУТЭП на карьерные самосвалы как с плавным, так и со ступенчатым управлением ослабления поля тяговых электродвигателей. Программа  хорошо зарекомендовала себя на заводских испытаниях.

В этом году продолжаются работы по завершению разработки новой системы управления тяговым электроприводом СУТЭП-03, которая является дальнейшим развитием систем СУТЭП-01 и СУТЭП-02.

Особенностью новой системы является то, что это она объединяет в себе кроме системы автоматического управления тяговым электроприводом СУТЭП, систему контроля загрузки и топлива СКЗиТ, систему контроля давления в шинах СКТ и диагностику дизеля. СУТЭП-03 станет гибкой самонастраивающейся системой с мощными средствами диагностики и самодиагностики. Она будет масштабируемой, т.е. в зависимости от желания потребителя, автосамосвалы могут комплектоваться СУТЭП-03 разной конфигурации – минимальная структура, оптимальная или с визуализацией.

Для диагностики дизеля самосвала применен автомобильный CAN-протокол 1939. Обмен информацией между устройствами системы обеспечивается по защищенным CAN-сетям не доступными для внешнего воздействия.

В системе применен бортовой контроллер информационной панели визуализации типа PP35 или PP220, которые заменят панель 4В1270. Эти панели имеют больший экран, более информативны и удобнее в эксплуатации. Применение бортового контроллера информационной панели визуализации обеспечит мониторинг эксплуатационных и технологических параметров, текущего состояния и сервисного обслуживания, входящих в СУТЭП-03 систем.

Установка в кабине автосамосвала панели типа PP220 позволит полностью отказаться от приборной панели, как это уже реализовано в зарубежных карьерных автосамосвалах.
Следует отметить, что для удобства обслуживания СУТЭТ-03, объединяющей в своем составе СУТЭП, СКЗиТ, СКТ и диагностику дизеля, будет использоваться только одна программа наладки и диагностики.

Таким образом, внедрение современных систем управления тяговым электроприводом на основе программируемых контроллеров в составе большегрузных карьерных автосамосвалов позволит обеспечить им высокую надежность и необходимые тягово-динамические характеристики, отвечающие современным требованиями.