Журнал «Компьютерра» № 46 от 12 декабря 2006 года

ТЕХНОЛОГИИ: Контроллер контроллеру рознь: Паровозные технологии XXI века

Автор: Анатолий Сорокин

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