EBCU срещу пневматично управление на влаковите спирачки

В железопътната спирачна техника начинът, по който се подава и разпределя командата за спиране, има огромно значение за поведението на целия влак. Самото наличие на сгъстен въздух обаче не определя дали една спирачна система е съвременна или конвенционална. От съществено значение е как се управлява този въздух.

При класическите пневматични системи основната информация за спирачната команда се предава чрез промяна на налягането в главния въздухопровод. Разпределителният вентил на всеки вагон реагира на тази промяна и управлява подаването на въздух към спирачния цилиндър.

При съвременните електропневматични системи командата може да бъде формирана и обработена електронно. Тук в центъра на системата стои Електронен блок за управление на спирачките – EBCU (Electronic Brake Control Unit – EBCU), който получава информация от различни системи на превозното средство, изчислява необходимото спирачно усилие и управлява пневматичните изпълнителни устройства.

Това не означава, че EBCU премахва пневматиката. В много съвременни конструкции електрониката и пневматиката работят заедно.

1. Какво представлява конвенционалното пневматично управление?

За да се разбере предимството на EBCU, първо трябва добре да се разбере класическата автоматична въздушна спирачка.

Основният принцип е сравнително прост:

намаляване на налягането в главния въздухопровод → действие на разпределителния вентил → подаване на въздух към спирачния цилиндър → създаване на спирачна сила.

При освободена спирачка главният въздухопровод се намира под определено налягане. Това налягане участва в управлението на разпределителния вентил и поддържането на необходимото налягане в спомагателния въздуховод.

При задействане на спирачката машинистът намалява налягането в главния въздухопровод.

Разпределителният вентил на всеки вагон реагира на това изменение и използва въздуха от спомагателния резервоар, за да напълни спирачния цилиндър.

Опростено:

Кабина
  │
  ▼
Спирачен кран
  │
  ▼
Главен въздухопровод
  │
  ├──────────────┬──────────────┬──────────────┐
  ▼              ▼              ▼              ▼
Разпределител   Разпределител  Разпределител  Разпределител
  │              │              │              │
  ▼              ▼              ▼              ▼
Спирачен        Спирачен       Спирачен       Спирачен
цилиндър        цилиндър       цилиндър       цилиндър

Тук основният „носител“ на командата е налягането на въздуха.

2. Какво се променя при EBCU?

При EBCU командата за спиране първоначално може да бъде електрически сигнал.

Този сигнал може да идва от:

• спирачния контролер на машиниста;
• Система за управление на влакове (Train Control System);
• Автоматично управление на влака (Automatic Train Operation (ATO));
• системата за управление на влака;
• други бордови системи.

EBCU обработва тази информация и определя необходимото спирачно усилие.

Опростено архитектурата изглежда така:

Спирачен контролер
        │
        ▼
      EBCU
        │
        ├──── информация за скорост
        ├──── информация за товара
        ├──── електрическа спирачка
        ├──── WSP
        └──── диагностика
        │
        ▼
      PBCU
        │
        ▼
   Relay Valve
        │
        ▼
 Brake Cylinder
        │
        ▼
 Механична спирачка

Тук вече командата не трябва да бъде предавана единствено като промяна на налягането по целия влак.

EBCU може да комуникира с останалите системи чрез електрическа комуникационна мрежа и да управлява локално пневматичните изпълнителни устройства.

3. Най-съществената разлика

Разликата може да бъде обобщена с едно изречение:

При конвенционалното управление спирачната команда се предава основно чрез пневматичен сигнал, докато при EBCU логиката на управление и разпределение на спирачното усилие се извършва електронно.

Това е фундаментална разлика.

При класическата система информацията трябва да се „придвижи“ по влака като промяна на налягането.

При електронното управление информацията може да бъде предадена много по-бързо чрез електрическа комуникация, а необходимото пневматично налягане да бъде създадено локално.

Важно е обаче да не се прави грешният извод, че при EBCU въздухът вече не е необходим.

В огромна част от железопътните системи:

електрониката управлява, а пневматиката изпълнява.

4. Бързодействие

Това е една от областите, в които разликата между двата подхода е особено важна.

При конвенционална въздушна спирачка промяната на налягането трябва да се разпространи по главния въздухопровод.

При дълъг влак това означава, че различните вагони не получават едновременно една и съща информация.

Това не означава, че конвенционалната спирачка е ненадеждна. Напротив – автоматичната въздушна спирачка е резултат от огромен инженерен опит и е проектирана така, че да бъде безопасна дори при много дълги влакове.

Но физиката не може да бъде заобиколена.

Въздухът има ограничена скорост на разпространение на изменението на налягането, а освен това има:

• обем на тръбопровода;
• съпротивление;
• дроселиращи елементи;
• различни дължини на участъците;
• температурни влияния;
• течове;
• състояние на арматурата.

При EBCU командата може да бъде разпространена електронно и след това локално да се формира необходимото пневматично налягане.

Следователно:

електронната команда позволява значително по-добра синхронизация на действието на спирачките.

5. Точност на управлението

При конвенционалната система управлението е тясно свързано с налягането в главния въздухопровод и характеристиките на разпределителните вентили.

При EBCU могат да се обработват много повече параметри.

Например:

• скорост на превозното средство;
• товар;
• налягане в спирачния цилиндър;
• налична електрическа спирачна сила;
• състояние на WSP;
• зададена спирачна сила;
• реално постигната спирачна сила;
• състояние на отделните компоненти.

Така EBCU може да изчисли не просто:

„намали налягането с определена стойност“

а:

„необходимо е да се получи определено спирачно усилие при конкретните условия на превозното средство“.

Това е съществена промяна във философията на управлението.

6. Load Compensation

Една от важните функции на съвременната електронна система е отчитането на товара.

Един и същ спирачен цилиндър не трябва да създава еднакво поведение на празен и напълно натоварен вагон.

Ако масата на превозното средство се увеличи, необходимото спирачно усилие също трябва да бъде съобразено с нея.

При съвременна система EBCU може да използва информацията от load sensing системата и да изчисли необходимата спирачна команда.

Опростено:

Малък товар
     │
     ▼
по-малка необходима спирачна сила

Голям товар
     │
     ▼
по-голяма необходима спирачна сила

Разбира се, реалният алгоритъм е значително по-сложен и зависи от конкретната спирачна система и характеристиките на превозното средство.

7. Взаимодействие с електрическата спирачка

Тук предимството на EBCU става още по-очевидно.

При съвременните електрически влакове често се използва комбинация от:

• електродинамична спирачка;
• пневматична фрикционна спирачка.

При наличие на достатъчна електрическа спирачна сила EBCU може да поиска по-малка пневматична спирачна сила.

Например:

Необходимо общо спирачно усилие
              │
              ▼
        ┌───────────────┐
        │     EBCU      │
        └───────┬───────┘
                │
        ┌───────┴────────┐
        ▼                ▼
Електрическа        Пневматична
спирачка            спирачка
        │                │
        └───────┬────────┘
                ▼
       Общо спирачно усилие

Ако електрическата спирачка осигурява например част от необходимото усилие, пневматичната система трябва да компенсира само остатъка.

Това е един от основните принципи на blended braking.

Може да ви е интересно още: Ежедневен технически контрол – какво се проверява преди влакът да тръгне

8. Какво става при отказ на електрическата спирачка?

Тук вече се вижда истинската стойност на правилно проектираната система.

Ако електрическата спирачка не е налична, системата не трябва просто да приеме:

„нямаме електрическа спирачка – няма спиране“.

Вместо това EBCU трябва да поиска необходимото допълнително усилие от фрикционната пневматична спирачка, в рамките на възможностите на системата.

Това позволява на влака да запази необходимото ниво на спирачна ефективност, макар и с различно разпределение на спирачните сили.

9. Диагностика – огромно предимство на EBCU

При класическата пневматична система техникът разчита основно на:

• измерване на налягания;
• визуална проверка;
• механични изпитвания;
• проверка на ходове;
• проверка на течове;
• поведението на спирачката при изпитване.

При EBCU към това се добавя огромно количество диагностична информация.

Например системата може да следи:

• входни сигнали;
• изходни сигнали;
• налягания;
• електромагнитни клапани;
• комуникация;
• захранване;
• грешки в модулите;
• състояние на WSP;
• несъответствие между зададено и действително налягане.

Това означава, че при повреда диагностиката може да започне още от електронната система.

10. Пример за диагностика

Да разгледаме следната ситуация:

Зададена е определена спирачна сила, но налягането в спирачния цилиндър не достига необходимата стойност.

При класическа система техникът би започнал с проверка на:

1. главния въздухопровод;
2. разпределителния вентил;
3. спомагателния резервоар;
4. вентил;
5. спирачния цилиндър;
6. тръбопроводите;
7. течовете;
8. механичната част.

При EBCU могат допълнително да се проверят:

1. каква команда е генерирал EBCU;
2. каква команда е изпратена към PBCU;
3. какво налягане е измерено;
4. какво налягане е поискано;
5. какво е състоянието на електромагнитните клапани;
6. има ли комуникационна грешка;
7. има ли записана диагностична грешка.

Това значително променя начина на търсене на повредата.

11. Но електрониката има и недостатъци

Тук е мястото да се каже нещо, което понякога се пропуска.

EBCU не е магическо решение на всички проблеми.

Напротив – той добавя ново ниво на сложност.

При конвенционалната система имаме основно:

• клапани;
• резервоари;
• тръбопроводи;
• механични елементи.

При EBCU вече имаме и:

• процесори;
• електронни платки;
• захранващи модули;
• датчици за налягане;
• електромагнитни клапани;
• комуникационни шини;
• софтуер;
• диагностични алгоритми;
• параметризация;
• комуникация с други бордови системи.

Следователно се променя и характерът на повредите.

12. Сравнение на типичните повреди

Конвенционална пневматична система

По-често се срещат проблеми като:

• теч на въздух;
• замърсяване на клапан;
• повреда на уплътнение;
• блокиране на механизъм;
• проблем в relay valve;
• неправилно налягане;
• дефектен разпределителен вентил;
• механична повреда.

EBCU система

Към горните се добавят:

• неизправност на датчик;
• неизправност в комуникацията;
• неизправност в електрозахранването;
• софтуерна неизправност;
• вътрешна електронна неизправност;
• неизправност в окабеляването;
• неизправност на електромагнитен клапан;
• неправилна параметризация.

Затова при EBCU е необходим не само специалист по пневматика, но и човек, който разбира електроника, диагностика и комуникационни системи.

13. Надеждност – кое е по-надеждно?

Това е един от въпросите, на които не трябва да се отговаря с просто:

„EBCU е по-надежден.“

Това би било прекалено опростено.

Конвенционалната пневматична система има огромно предимство – тя е сравнително проста и доказана в продължение на много десетилетия.

EBCU от своя страна позволява:

• по-добър контрол;
• по-добра диагностика;
• по-точно разпределение;
• по-добра синхронизация;
• взаимодействие с други системи;
• автоматизирано управление.

Но електронната система трябва да бъде проектирана с необходимото ниво на отказоустойчивост и подходяща резервираност.

При железопътните спирачки не е достатъчно системата да работи добре при нормална експлоатация.

Тя трябва да бъде безопасна и при отказ.

14. Аварийното спиране

Това е особено важен момент.

При нормално работно спиране електронното управление може да има водеща роля.

При аварийно спиране обаче проектантът трябва да осигури необходимата безопасност независимо от нормалната комуникация и нормалния софтуерен поток.

Затова в различни конструкции се използват отделни аварийни вериги с твърдо окабеляване сигнали и резервни пневматични пътища.

Идеята е проста:

единична повреда не трябва да води до загуба на необходимата спирачна функция.

Точно тук трябва да се прави разлика между:

• нормално управление;
• резервно управление;
• аварийно управление.

Те не са едно и също.

15. EBCU и WSP

Електронното управление позволява много по-тясно взаимодействие със системата за защита от плъзгане на колелата – WSP (Защита срещу блокиране на колелата).

Ако се установи тенденция към блокиране на колело, WSP може да поиска временно намаляване на спирачната сила към съответната ос или колело.

След възстановяване на сцеплението спирачната сила може отново да бъде увеличена.

Това е динамичен процес.

При EBCU тези функции могат да бъдат интегрирани в общата логика за управление на спирачката.

16. Комфорт на пътниците

Електронното управление има значение не само за безопасността.

То може да подобри и комфорта.

По-точното управление на спирачната сила позволява по-плавно:

• започване на спирането;
• увеличаване на спирачната сила;
• намаляване на спирачната сила;
• преминаване между електрическа и пневматична спирачка;
• окончателното спиране.

При дълъг влак това може да има съществено значение за надлъжните сили между превозните средства.

При конвенционална пневматична система също могат да се постигнат много добри характеристики, но електронното управление предоставя повече възможности за прецизно управление.

17. Поддръжка – тук картината е различна

При конвенционалната система техникът познава добре физическата причина за повечето проблеми.

Например:

няма налягане → проверява се откъде не идва въздухът.

При EBCU диагностиката може да започне от съвсем друго място:

зададена команда → електронен изход → клапан → налягане → обратна връзка.

Следователно е необходимо да се мисли по веригата:

Команда
   ↓
EBCU
   ↓
Комуникация
   ↓
PBCU
   ↓
Електромагнитни клапани
   ↓
Управляващо налягане
   ↓
Реле-клапан
   ↓
Спирачен цилиндър
   ↓
Механична спирачка

Ако някъде по тази верига има проблем, симптомът може да се появи на съвсем различно място.

18. Един практически пример

Да приемем, че на един вагон спирачният цилиндър не достига необходимото налягане.

На пръв поглед проблемът изглежда пневматичен.

Но при EBCU трябва да се зададат няколко въпроса:

Каква команда е подадена?

Ако EBCU не е подал правилната команда, проблемът може да бъде електронен или комуникационен.

Подадена ли е правилната команда към клапана?

Ако не – проверяваме управлението.

Клапанът получил ли е команда?

Ако да, но не реагира – възможен е проблем в електромагнитния клапан.

Има ли необходимото управляващо налягане?

Ако няма – търсим пневматичната причина.

Има ли правилна обратна връзка от pressure sensor?

Ако реалното налягане е нормално, но EBCU получава неправилна информация, проблемът може да бъде в датчика или неговата верига.

Това е голямата разлика в диагностичния подход.

19. Сравнителна таблица

20. Кое решение е по-добро?

Въпросът всъщност не трябва да бъде:

„EBCU или пневматична спирачка?“

Правилният въпрос е:

„Как електронното управление и пневматичната спирачна система могат да работят заедно?“

При съвременния железопътен транспорт отговорът обикновено е именно комбинация.

Пневматиката продължава да има огромно значение, защото тя осигурява физическото изпълнение на спирачната команда.

EBCU добавя интелигентността:

• изчислява;
• разпределя;
• контролира;
• сравнява;
• диагностицира;
• комуникира;
• адаптира.

Така двете технологии не трябва да се разглеждат като конкуренти.

21. Конвенционалната система не е остаряла

Това е важно уточнение.

Конвенционалната автоматична въздушна спирачка не е някаква примитивна технология, която просто трябва да бъде заменена.

Тя има едно огромно предимство:

изключително висока степен на доказаност в реална експлоатация.

Принципът на автоматичната въздушна спирачка е разработен така, че при разкъсване на влака и спадане на налягането в главния въздухопровод да се задействат спирачките.

Тази fail-safe концепция е една от причините пневматичната спирачка да остане основен елемент в железопътния транспорт.

Следователно съвременната електроника не отменя инженерните принципи на въздушната спирачка.

Тя ги надгражда.

22. Основното предимство на EBCU

Ако трябва да се избере само едно предимство на EBCU, това не е просто по-бързото предаване на командата.

По-важното е:

EBCU превръща спирачната система от система, която основно реагира на промяна на налягането, в система, която може активно да изчислява и управлява необходимото спирачно усилие.

Това позволява интегриране на информация от целия влак.

И точно тук е голямата разлика.

23. Но най-важното остава същото

Колкото и сложна да стане електрониката, в края на веригата все още стои физиката.

Колелото трябва да се върти.

Между колелото и релсата трябва да има достатъчно сцепление.

Спирачният цилиндър трябва да създаде необходимата сила.

Механичната част трябва да предаде тази сила към колелото.

Налягането трябва да бъде правилно.

Ако някой от тези елементи не работи, най-съвършеният EBCU няма да може да наруши законите на физиката.

Затова при диагностика не трябва да се допуска една често срещана грешка:

да се търси електронна причина за чисто пневматичен или механичен проблем.

И обратното.

Заключение

Сравнението между EBCU и конвенционалното пневматично управление не е просто сравнение между „нова“ и „стара“ технология.

Това са два различни начина за организиране на управлението на спирачната система.

При конвенционалната система основната управляваща информация се предава чрез пневматичната система. Тя е доказана, надеждна и продължава да бъде фундаментална за железопътния транспорт.

При EBCU управляващата логика се прехвърля към електронна система, която може да обработва значително повече информация и да координира работата на пневматичната, електрическата и противоповличащата система.

Най-съществените предимства са:

• по-бързо предаване на командата;
• по-добра синхронизация;
• по-прецизно управление;
• по-добро използване на електрическата спирачка;
• възможност за комбинирано спиране;
• интегрирана диагностика;
• по-добро взаимодействие с WSP;
• възможност за сложни алгоритми за управление.

Но заедно с това идват и нови изисквания:

• по-сложна архитектура;
• електронни компоненти;
• софтуер;
• комуникационни мрежи;
• сензори;
• параметризация;
• необходимост от специализирана диагностика.

И в крайна сметка най-добрата съвременна спирачна система не е тази, която просто заменя пневматиката с електроника.

Тя е тази, при която електрониката управлява интелигентно, пневматиката изпълнява надеждно, а при отказ системата запазва необходимата безопасност.

Точно в това се състои същността на съвременните железопътни спирачни системи.