Для цитирования: Кольева Н.С., Кортенко Л.В., Копнова О.Л. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ВАГОНОМОЕЧНОГО КОМПЛЕКСА НА БАЗЕ ARDUINO Транспортное дело России. 2025. № 6. С. 256-259.
Кольева Наталья Станиславовна, кандидат педагогических наук, доктор PhD; доцент кафедры информационных технологий и статистики Уральского государственного экономического университета. Екатеринбург, Российская Федерация. ORCID: 0000-0003-0805-6175; E-mail: kolyeva_ns@usue.ru
Кортенко Людмила Васильевна, кандидат экономических наук, доцент кафедры информационных технологий и статистики Уральского государственного экономического университета. Екатеринбург, Российская Федерация. ORCID: 0000-0002-4103-4413; E-mail: mikroraionEkb@yandex.ru
Копнова Оксана Леонидовна, доктор PhD; ст. преподаватель кафедры математики и физики Северо-Казахстанского университета имени Манаша Козыбаева. Петропавловск. Республика Казахстан. ORCID: 0000-0002-6299-3728; E-mail: okopnova@ku.edu.kz
В данной работе поставлена задача создания автоматизированного решения для мойки железнодорожных вагонов, используя платформу Arduino. Целью исследования является разработка надёжной и экономичной системы, которая позволит оптимизировать процесс очистки вагонов и снизить потребность в ручном труде. Для реализации проекта была спроектирована аппаратная часть на основе микроконтроллера Arduino с подключением разнообразных датчиков и исполнительных устройств. Также создано программное обеспечение, обеспечивающее автоматическое выполнение основных этапов мойки. Исследование относится к области автоматизации процессов на железнодорожном транспорте. В результате получена опытная система, способная самостоятельно управлять процессом очистки вагонов с минимальным участием оператора. Полученная система показывает стабильность работы и легко адаптируется под разные модели вагонов. Рамки исследования ограничены испытаниями на модельном оборудовании, что предполагает необходимость дальнейшего масштабирования и адаптации под реальные промышленные условия. В последующих шагах планируется интеграция с существующими комплексами и расширение функционала за счет удаленного мониторинга. Практическое значение заключается в возможности внедрения решения для повышения эффективности вагономоечных комплексов, снижения эксплуатационных расходов и улучшения экологии за счет оптимизации расхода воды и моющих средств. Оригинальность исследования состоит в применении доступных и недорогих компонентов Arduino для создания специализированной промышленной системы автоматизации. Работа будет полезна инженерам-автоматчикам, разработчикам систем управления и специалистам железнодорожной отрасли, заинтересованным в модернизации технологических процессов.
Ключевые слова: автоматизация технологических процессов, вагономоечный комплекс, Arduino, системы датчиков.
Development of an automated system for a wagon washing complex based on ARDUINO
Kolyeva Natalya Stanislavovna, Candidate of Pedagogical Sciences, Doctor of PhD; Associate Professor of the Department of Information Technology and Statistics, Ural State University of Economics. Yekaterinburg, Russian Federation. ORCID: 0000-0003-0805-6175; E-mail: kolyeva_ns@usue.ru
Kortenko Lyudmila Vasilievna, Candidate of Economic Sciences, Associate Professor of the Department of Information Technology and Statistics, Ural State University of Economics. Yekaterinburg, Russian Federation. ORCID: 0000-0002-4103-4413; E-mail: mikroraionEkb@yandex.ru
Kopnova Oksana Leonidovna, Doctor of PhD; Senior Lecturer of the Department of Mathematics and Physics, North Kazakhstan University named after Manash Kozybayev. Petropavlovsk. Republic of Kazakhstan. ORCID: 0000-0002-6299-3728; E-mail: okopnova@ku.edu.kz
This paper considers the problem of developing an automated system for a wagon washing complex using the Arduino platform. The purpose of the study is to create an effi cient, cost-effective and reliable solution for managing the automatic wagon cleaning process, which will improve the quality of service and reduce labor costs. The methodology of the work includes the design of a hardware complex based on the Arduino microcontroller, the integration of sensors and actuators, as well as the development of software to automate basic operations. The scope of the study covers automation and control technologies in railway infrastructure. As a result of the development, a prototype system was created that can automatically monitor and manage the wagon washing process with minimal operator involvement. The system demonstrates stable operation and fl exibility of settings for various types of wagons. The scope of the study is limited to testing on model equipment, which implies the need for further scaling and adaptation to real industrial conditions. The next steps include integration with existing complexes and expansion of functionality through remote monitoring. The practical signifi cance lies in the possibility of implementing a solution to improve the effi ciency of wagon washing complexes, reduce operating costs and improve the environment by optimizing the consumption of water and detergents. The originality of the research is in the use of available and inexpensive Arduino components to create a specialized industrial automation system. The work will be useful for automation engineers, control system developers and railway industry specialists interested in modernizing technological processes.
Keywords: automation of technological processes, wagon washing complex, Arduino, sensor systems.
Введение
Современное развитие железнодорожной отрасли требует постоянного повышения эффективности и надежности всех технологических процессов, включая очистку вагонов. Автоматизация вагонных моечных комплексов является актуальной задачей, способствующей снижению трудозатрат, повышению качества сервиса и оптимизации расхода ресурсов. Традиционные методы мойки вагонов зачастую требуют значительного участия оператора и не всегда обеспечивают стабильное качество очистки, что снижает общую производительность комплекса.
В условиях стремительного технологического прогресса применение современных микроконтроллерных платформ предоставляет новые возможности для реализации автоматизированных систем управления. Платформа Arduino, благодаря своей доступности, простоте программирования и широкому спектру совместимых датчиков и исполнительных устройств, является удачным выбором для создания прототипов и внедрения таких решений.
В данной статье рассматривается разработка автоматизированной системы для вагонного моечного комплекса на базе Arduino. Целью работы является создание эффективного, экономичного и надежного устройства, способного минимизировать участие человека в процессе мойки вагонов и обеспечить качественный контроль над всеми этапами очистки. Представленный подход направлен на повышение производительности моечного комплекса и снижение эксплуатационных затрат с учетом специфики железнодорожной инфраструктуры.
Материалы и методы исследования
В качестве аппаратной платформы для создания автоматизированной системы вагонного моечного комплекса был выбран микроконтроллер Arduino, обладающий достаточной вычислительной мощностью, низкой стоимостью и широким набором доступных модулей и датчиков. В работе использовались следующие основные компоненты:
Далее страница 257 TRANSPORT BUSINESS IN RUSSIA | №6 2025 |:
- Плата Arduino Uno для управления процессом мойки.
- Набор датчиков: ультразвуковой датчик расстояния для определения положения вагона, датчики давления и потока воды для контроля параметров мойки, а также датчики уровня моющих средств.
- Исполнительные механизмы: электромагнитные клапаны для управления подачей воды и моющих растворов, электродвигатели для перемещения щеток и форсунок.
- Интерфейс пользователя в виде ЖК-дисплея и кнопок управления для настройки параметров и мониторинга работы системы.
Программное обеспечение системы разработано на языке C++ с использованием среды Arduino IDE. Функционирование программного обеспечения базируется на комплексной алгоритмической структуре, предусматривающей идентификацию стартовых и завершающих этапов цикла очистки, координированное управление исполнительными устройствами и непрерывный контроль параметров работы посредством интегрированных датчиков. Система оснащена механизмами экстренного прекращения операций в случае обнаружения нештатных ситуаций.
Экспериментальная верификация осуществлялась посредством использования имитационного стенда, воспроизводящего кинематические характеристики перемещения железнодорожного состава и технологические операции процесса мойки. Данный подход позволил провести комплексную оценку взаимодействия элементов системы и осуществить тонкую настройку управляющих алгоритмов.
Научно-исследовательский процесс охватывал следующие ключевые стадии: разработку принципиальной схемы, создание программного обеспечения и его отладку, проведение серии лабораторных испытаний. Реализация указанных этапов привела к формированию опытного образца, характеризующегося высокой степенью надёжности функционирования и адаптивностью конфигурационных параметров. Полученные результаты создают прочную основу для последующего масштабирования разработки и её интеграции в промышленную эксплуатацию.
Вопросы автоматизации процессов очистки железнодорожного транспорта и совершенствования систем управления моечными комплексами представляют значительный интерес для современной инженерной и транспортной науки, являясь объектом интенсивных исследовательских изысканий. В различных работах рассматриваются методы повышения эффективности, качества и экологической безопасности моечных процессов.
Так, в исследовании [1, 2] предложена система управления мойкой вагонов на базе промышленного контроллера с интеграцией датчиков давления и температуры, что позволяет оптимизировать расход воды и сокращать время цикла. Однако использование дорогого промышленного оборудования увеличивает стоимость проекта.
Исследование [3] посвящено разработке автоматизированного комплекса с применением программируемых логических контроллеров (ПЛК) для контроля последовательных операций мойки и диагностике неисправностей. В [4] отмечается высокая надежность системы, но ограниченная гибкость в адаптации под разные типы вагонов.
Использование платформы Arduino для задач автоматизации в железнодорожной инфраструктуре также находит свое отражение в ряде исследований. Например, в работе [5, 6] описан прототип системы управления поливом и очисткой оборудования на базе Arduino, что демонстрирует потенциал применения доступных микроконтроллеров для специализированных инженерных решений. Общая подготовленность технических специалистов к решению подобных задач освещена в исследовании [7]. Тем не менее, конкретных разработок, полностью ориентированных на вагонную мойку с применением Arduino, встречается мало, что подчеркивает актуальность выбранной темы.
В целом, на сегодняшний день существуют профессиональные промышленные решения, ориентированные на комплексную автоматизацию вагонных моечных комплексов, однако они часто связаны с высокой стоимостью оборудования и ограничениями по адаптации. В то же время, разработки на базе открытых и доступных платформ, таких как Arduino, нацелены на создание экономичных и гибких прототипов, способных удовлетворить требования локальных предприятий и способствовать дальнейшему развитию отрасли.
Технология разработки вагономоечного комплекса
В современных условиях на территории России эксплуатируется около двух десятков специализированных моечных комплексов железнодорожного подвижного состава. Несмотря на положительную динамику роста их количества, существующая инфраструктура не обеспечивает полноценную обработку всего парка вагонов транспортной логистики государства. Фактором, ограничивающим масштабное внедрение автоматизированных моечных комплексов, остается высокая капиталоемкость проектов и длительные сроки возврата инвестиций. В связи с этим преобладающее число ремонтных вагонных депо используют традиционный метод очистки составов. Технологическая операция ручной мойки осуществляется согласно установленному регламенту (рисунок 1) и включает последовательное нанесение моющего состава, его равномерное распределение по поверхности кузова и удаление загрязнений с обязательным контролем качества очистки, в особенности в верхней части гофрированных элементов конструкции.
В связи с политикой сдельной оплаты труда, работники стремятся очистить большее количество вагонов, сокращая время выдержки раствора на обрабатываемой поверхности. Это приводит к нарушениям режима труда и отдыха, а также к несоблюдению норм пребывания на свежем воздухе во время работы в межсезонье, что не только ухудшает качество обмывки подвижного состава, но и повышает риск возникновения профессиональных заболеваний. Деятельность вагономоечного комплекса Екатеринбургского филиала Акционерного общества «Вагон-Сервис» регламентирована следующими нормативными документами:
• Федеральный закон от 10 января 2003 г. №18-ФЗ «Устав железнодорожного транспорта Российской Федерации».
• Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации, утвержденные приказом Минтранса России от 23.06.2022 №250.
• ГОСТ Р 54612-2011 «Вагоны пассажирские локомотивной тяги и моторвагонный подвижной состав. Требования к обмывке и очистке».
• ТИ-ЦЛПВ-1 «Технологическая инструкция по наружной и внутренней обмывке кузовов пассажирских вагонов».
Автоматизация вагономоечного комплекса должна обеспечивать стабильную, эффективную и безопасную работу оборудования, минимизировать влияние человеческого фактора и повысить качество мойки вагонов. Представим алгоритм и компоненты автоматического управления процессом мойки вагономоечного комплекса на базе Arduino:
1. Система управления. Основные компоненты (Arduino; датчики уровня воды, температуры, давления; реле для управления насосами и клапанами; моторы для управления движением мойки; LCD-экран для отображения информации; кнопки или сенсорные экраны для пользовательского интерфейса.
2. Алгоритм инициализации. Проверка состояния системы:
• Инициализация всех датчиков и модулей.
• Проверка наличия воды и других ресурсов.
• Вывод информации о состоянии на LCD.
3. Алгоритм мойки. Запуск процесса мойки:
• Пользователь выбирает режим мойки через интерфейс.
• Считывание параметров (время мойки, температура, давление).
Далее страница 258 TRANSPORT BUSINESS IN RUSSIA | №6 2025 |:
4. Подготовка к мойке и мойка:
- Включение насоса для заполнения резервуара.
- Достижение необходимого уровня воды (датчик уровня).
- Включение насоса для подачи воды под давлением.
- Включение моющих средств через реле.
- Определение времени работы насосов в зависимости от выбранного режима.
- Мониторинг температуры и давления для обеспечения безопасной работы.
5. Очистка:
- Остановка подачи воды.
- Промывание системы чистой водой.
- Вывод информации о завершении мойки на LCD.
6. Алгоритм аварийного отключения. Мониторинг состояния:
- Постоянная проверка датчиков на предмет ошибок (например, низкий уровень воды, высокое давление).
7. Аварийное отключение:
- Если обнаружена ошибка, немедленно остановить насосы и отключить систему.
- Вывод сообщения об ошибке на LCD.
Сформулируем функциональные и технические требования к автоматизации вагономоечного комплекса:
1. Управление процессом мойки:
- автоматический запуск и остановка всех этапов мойки;
- контроль скорости движения вагонов (не более 5 км/ч);
- дозирование моющих средств (кислотных и щелочных);
- управление работой щеточных механизмов;
- ополаскивание теплой водой после мойки.
2. Контроль параметров:
- температурный контроль воды и калориферов;
- уровень и концентрация моющих растворов;
- давление воды и расход жидкостей;
- контроль наличия вагона в моечной зоне (датчики движения);
- мониторинг и обратная связь:
3. Отображение данных на сенсорном экране (температура, расход, состояние системы).
4. Система аварийных уведомлений (стопы, утечки, перегрев).
5. Возможность удаленного мониторинга и управления через Wi-Fi/Ethernet.
Технические требования к автоматизации вагономоечного комплекса можно представить как совокупность требований к:
1. оборудованию и датчикам:
- использование Arduino, ПЛК (программируемых логических контроллеров) или промышленных компьютеров;
- датчики температуры, давления, расхода жидкости, скорости движения вагонов;
- приводы для щеток и насосов с возможностью ШИМ-регулирования (широтно-импульсная модуляция);
- интерфейсу управления:
2. Локальный пульт оператора с сенсорным экраном (Nextion, HMI- панель);
3. Подключение к системам SCADA или облачным сервисам для мониторинга;
4. Поддержка аварийного ручного режима работы.
Кроме того, не следует забывать и о требованиях к безопасности. В частности, следует предусмотреть наличие аварийной кнопки «Стоп» на всех ключевых участках. Необходимо предусмотреть защиту от перегрева нагревателей и насосов. Следует предусмотреть систему автоматического отключения при отсутствии воды или реагентов. Дополнительно следует осуществлять контроль работы всех электродвигателей и насосов (датчики тока и перегрузки).
Таким образом, автоматизация вагономоечного комплекса должна обеспечивать высокую производительность, точность дозировки, безопасность персонала и экономию ресурсов, а также удобство управления и удаленного мониторинга.
Вагономоечный комплекс Екатеринбургского филиала Акционерного общества «Вагон-Сервис» нуждается в техническом обслуживании: часть системы требует ремонта, а часть – замены. Почти все оборудование произведено и введено в эксплуатацию 20 лет назад. В сложившихся геополитических условиях и из-за санкционного давления организация, занимающаяся таким обслуживанием, ушла с российского рынка.
В связи с этим, этим возникает объективная необходимость в поиске оптимальных решений автоматизации. В частности, существует потребность в автоматизации управления двигателями щеток вагономоечного комплекса.
Автоматизация вагономоечного комплекса
На начальном этапе проектирования автоматизированной системы необходимо выбрать платформу для разработки. После изучения современных аппаратно-программных средств для создания автоматизации была выбрана платформа Arduino. Она обладает рядом преимуществ, таких как удобный и простой язык программирования, а также открытая архитектура и доступный программный код.
Платформа Arduino пользуется огромной популярностью благодаря удобству и простоте языке программирования [8, 9].
В настоящее время Arduino применяется для автоматизации информационных систем полива растений и контроля температуры воздуха в помещении [9, 10], разработке регистратора сопротивления изоляции [11], автоматизации электролизно-водного газогенератора
Далее страница 259 TRANSPORT BUSINESS IN RUSSIA | №6 2025 |:
[12], умного освещения [13], систем безопасности [14], контроля давления [15], измерения электрических величин в системах электропитания [16] и др.
В связи с этим автоматизация вагономоечного комплекса средствами Arduino представляется весьма перспективной.
Техническое обеспечение автоматизации вагономоечного комплекса средствами Arduino будет осуществляться при помощи следующих компонентов:
- микроконтроллер – основная часть всего устройства, управляющий компонент Arduino Uno;
- Arduino LCD 1602 I2C дисплей;
- модуль реле 8 канальный.
Основная задача в разработке автоматизированной системы вагономоечного комплекса заключается в написании программного кода, способного автоматизировать процесс управления двигателями щеток и насосов вагономоечного комплекса.
Программный код предназначен для управления релейным модулем с помощью кнопок и отображения их состояния на LCD-дисплее. Код позволяет управлять четырьмя реле с помощью кнопок. Реле управляются магнитными пускателями, которые уже включают щетки вагономоечного комплекса. Состояние реле отображается на LCD-дисплее. Для включения и выключения реле необходимо входить в режим меню. Тестирование работоспособности предлагаемого решения по автоматизации работы вагономоечного комплекса проводилось при помощи Wokwi Simulator.
На рисунке 2 представлены технические компоненты автоматизации вагономоечного комплекса: микроконтроллер на базе Arduino Uno; дисплей (Arduino LCD 1602 I2C); модуль реле (8-канальный).
Программирование на Arduino выполнено на языке C/C++ с использованием библиотеки Arduino. Листинг для инициализации и запуска насосов выглядит следующим образом:
#include <LiquidCrystal.h>
LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);
void setup() {
lcd.begin(16, 2);
pinMode(pumpPin, OUTPUT);
pinMode(waterLevelSensorPin, INPUT);
// Другие инициализации
}
void loop() {
// Проверка уровня воды
if (digitalRead(waterLevelSensorPin) == LOW) {
// Заполнение резервуара
digitalWrite(pumpPin, HIGH);
lcd.print("Filling...");
} else {
// Запуск мойки
digitalWrite(pumpPin, LOW);
lcd.print("Washing...");
// Включение мойки и других процессов
}
// Другие процессы
}
Copy
Автоматическое управление процессом мойки вагономоечного комплекса на базе Arduino требует тщательной проработки алгоритмов, выбора компонентов и тестирования.
Заключение
В рамках оптимизации управленческой деятельности Екатеринбургского подразделения АО «Вагон-Сервис» осуществлена имплементация автоматизированной системы управления моечным комплексом. Разработанное решение на основе микроконтроллерной платформы Arduino обеспечивает модернизацию системы регулирования работы щёточных механизмов. Проведённые экспериментальные исследования функционирования автоматизированной системы с использованием среды моделирования Wokwi Simulator подтвердили техническую реализуемость и практическую применимость предложенного технического решения. Внедрение автоматизированной системы характеризуется не только экономической целесообразностью, но и существенным улучшением условий производственной деятельности персонала. Особое внимание уделено повышению уровня электробезопасности технологических процессов. Реализация автоматизированного комплекса мойки вагонов выступает значимым фактором совершенствования производственной инфраструктуры предприятия, способствуя укреплению его конкурентных позиций на рынке. Интеграция современных технологических решений позволяет достигать оптимального соотношения качества предоставляемых услуг и производственных издержек. В заключении отметим, что проблемы автоматизации вагономоечных комплексов нуждаются в дальнейшем исследовании, так как автоматизировать работу можно не только щеток, но и других установок и механизмов, используемых в комплексе.
Литература
1. Markiewicz J. Frugal Innovations In Rail Transport. Procedia Computer Science. Vol. 192. 2021. Рр. 3243-3251. DOI 2021.09.097.
2. Gonzalez-Cortes A., Burlet-Vienney D., Chinniah Y., Development of a context-specific knowledge base for Inherently Safer Design (ISD) in confined spaces: A resource for designers and end users Process Safety and Environmental Protection. Vol. 180. 2023. Рр.1076-1093. DOI. 2023.10.068.
3. Timmis H. The Process of Arduino Engineering. In: Practical Arduino Engineering. Apress, Berkeley, CA. 2021. https://doi.org/10.1007/978-1-4842-6852-0_1
4. Pakdel M. Аrduino Programming using Simulink (1st ed.). River Publishers. 2021. https://doi.org/10.1201/9788743800828
5. Cullen C. (2020). Learn Audio Electronics with Arduino: Practical Audio Circuits with Arduino Control (1st ed.). Focal Press. https://doi.org/10.4324/9780429197499
6. Asadi F. Reading Different Sensors with Arduino. In: Essentials of Arduino™ Boards Programming. Maker Innovations Series. Apress, Berkeley, CA. 2023. https://doi.org/10.1007/978-1-4842-9600-4_11
7. Фролов А. А. Технология решения задач как важнейшая базовая составляющая процесса общего образования / А. А. Фролов // Муниципальное образование: инновации и эксперимент. – 2024. – №4 (96). – С.74-81.
8. Iskandar D., Sunandar А. Utilization of Arduino UNO Technology and Arduino IDE to Create Electrical Disconnect Products for Electronic Equipment // Jurnal AKSI (Akuntansi dan Sistem Informasi). 2022. Vol. 6, No. 1. DOI 10.32486/aksi.v6i1.6.
9. Wardhana F. Pemrograman Sistem Arduino Nano dan Arduino Mega Menggunakan Ladder Logic / F. Wardhana, S. Pradana, Kh. Karim // PoliGrid. 2021. Vol. 2, No. 2. P. 35. DOI 10.46964/poligrid.v2i2.704.
10. Кирнос А.Е. Arduino – как средство автоматизация сельского хозяйства Arduino – as a means of automation of agriculture. Вестник Кыргызстана. 2018. № 1(4). С. 275-279.
11. Абдугулова Ж., Тлеген М., Куанышбаев К. Автоматизированные системы управления теплицей, использующие платформу Arduino. Вестник Казахской академии транспорта и коммуникаций им. М. Тынышпаева. 2022. № 3(122). С. 339-349. DOI 10.52167/1609-1817-2022-122-3-339-349.
12. Испулов Н.А., Жумабеков А.Ж., Абдрахманов А.Б., Нургожина М. Об измерении температуры термистором с помощью микроконтроллеров Аrduinо. Вестник Карагандинского университета. Cерия: Физика. 2017. № 1(85). С. 73-81.
13. Kolesnikov A. Arduino-based wireless security monitoring system / A. Kolesnikov, T. Atygayev, I. Kasimov. Вulletin of the M. Kozybayev NKU. 2020. No. 1(46). P. 190-194.
14. Septiana R., Deosa P Caniago, Harun Kurniawan Evaluasi dan Kalibrasi Data Akuisisi Temperatur Berbasis Arduino dan MAX31855. Jurnal Elektronika dan Otomasi Industri. 2024. Vol. 11, No. 2. P. 621-627. DOI 10.33795/elkolind.v11i2.5250.10.
15. Кольева Н.С., Панова М.В., Кузнецов В.Е. Разработка прототипа программного обеспечения для программно-аппаратного комплекса «Инспекция маркировки». Программная инженерия. 2025. Т. 16, № 1. С. 47-56. DOI 10.17587/prin.16.47-56.
16. Рванова А.С., Кольева Н.С., Панова М.В. Разработка модели оценки структурной сложности программ. Цифровые модели и решения. 2024. Т. 3, № 2. С. 5-16. – DOI 10.29141/2949-477X-2024-3-2-1.
17. Pawar P.S.S. Literature Review on Automated Solar Tracker System. International Journal for Research in Applied Science and Engineering Technology. 2022. Vol. 10, No. 6. P. 215-219. DOI 10.22214/ijraset.2022.43794. EDN KHFWMM.