ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКОЙ

Полезная модель относится к области электронных систем управления, в частности к электронной системе управления (ЭСУ) энергоустановкой на топливных элементах в составе вагона энергетического. ЭСУ предназначена для управления электрохимическим генератором на топливных элементах, входящего в состав энергетического вагона для питания путевой техники при производстве работ в тоннелях.
Из уровня техники известна система управления энергетическим комплексом, описанная в авторском свидетельстве SU 1128220 А, 07.12.1984. Данная система осуществляет управление энергетическим комплексом на основе контроля активной мощности на выходе генератора силовой установки.
Однако данная система не обеспечивает выбор оптимального режима нагрузки, и безопасность при работе системы подачи топлива.
Технический результат полезной модели заключается в обеспечении управления системой подачи топлива, выборе оптимального режима нагрузки, а также в обеспечении безопасности при работе системы подачи топлива.
В функции ЭСУ входит: первоначальный прогрев электрохимического генератора (ЭХГ), запуск и остановка ЭХГ, формирование управляющих сигналов для блоков автоматики ПБА406 четырех батарей на топливных элементах "Фотон", согласование выходного напряжения силовой энергоустановки с нагрузкой за счет коммутации схем параллельно-последовательного подключения батарей топливных элементов и параллельного подключения к выходному силовому каскаду ЭХГ аккумулятора, зарядка аккумуляторной батареи, обеспечение продувки батарей на топливных элементах, каталитическое дожигание неотработанного водорода, циклическое измерение давления и температуры
рабочих газов, измерение токов и напряжений силовых и вспомогательных цепей, учет времени и режимов работы ЭХГ с сохранением данных в энергонезависимой памяти, отслеживание возникновения аварийных ситуаций с выдачей предупредительных сигналов, блокировка подачи водорода и кислорода при возникновении аварийных ситуаций, диагностика узлов энергоустановки с формированием протокола неисправностей, контроль предельно допустимой температуры для нормального функционирования электрохимического генератора и его отдельных узлов, управление вентилятором внешнего охлаждающего контура.
ЭСУ разработана на базе микропроцессорной техники с жидкокристаллическим индикатором для выдачи оперативной информации. Основные функции жизнедеятельности системы выполняет электронный блок на базе микроконтроллера. Для контроля работы этого блока, выполнения второстепенных функций, а также для сбора и хранения информации должен использоваться миникомпьютер в промышленном исполнении, предназначенный для работы в расширенных условиях по температуре и вибрации. ЭСУ имеет интерфейс передачи данных на внешний компьютер для протоколирования диагностических сообщений, режимов работы, времени наработки.
На фиг.1 отображена структурная схема Электронная система управления энергоустановкой, где: 1 - датчик давления водорода в баллонах, 2 - датчик давления водорода на выходе из редуктора, 3 - датчик давления кислорода в баллонах, 4 - датчик давления кислорода на выходе из редуктора, 5 - датчик давления азота в баллонах, 6 - два датчика давления азота на выходе из редукторов, 7 - датчик температуры водорода на входе в ЭХГ, 8 - датчик температуры кислорода на входе в ЭХГ, 9 - датчик температуры охлаждающей жидкости на выходе внешнего контура охлаждения ЭХГ, 10 - датчик температуры охлаждающей жидкости на входе внешнего контура охлаждения ЭХГ, 11 - два датчика тока в цепях ЭХГ "Фотон", 12 - датчик напряжения нагрузки, 13 - датчик тока нагрузки, 14 - два датчика напряжения
аккумуляторной батареи, 15 - датчик тока заряда/разряда аккумуляторной батареи, 16 - четыре датчика напряжения на выходе батарей "Фотон", 17 - датчик тока вентилятора внешнего охлаждающего контура, 18 - десять датчиков температуры воздуха в отсеках энергетического вагона, 19 - четыре датчика концентрации водорода, 20 - три датчика концентрации кислорода, 21 - источник питания с гальванической развязкой от силовых цепей энергетической установки, 22 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с коммутатором каналов для подключения к миникомпьютеру, 23 - миникомпьютер в промышленном исполнении с жидкокристаллическим дисплеем, 24 - пульт управления с тумблерами и сигнальными светодиодами, 25 - электронный блок на базе микроконтроллера, 26 - клапан отсечки водорода высокого давления, 27 - клапан отсечки кислорода высокого давления, 28 - два клапана отсечки азота высокого давления, 29 - реле включения вентилятора внешнего охлаждающего контура.
Электронный блок на базе микроконтроллера предназначен для запуска и остановки ЭХГ, управления подачей в ЭХГ водорода и кислорода, управления режимами нагрузки, выбора режима зарядки аккумуляторной батареи, контроля аварийных ситуаций, аварийной остановки ЭХГ.
Миникомпьютер в промышленном исполнении с жидкокристаллическим дисплеем предназначен для контроля работы микроконтроллерного блока управления системой, сбора и обработки сигналов с датчиков, накопления и хранения информации загрузки ЭХГ, выдачи аварийных сигналов и предупреждений.
АЦП с коммутатором каналов предназначен для передачи в миникомпьютер оцифрованных выходных сигналов датчиков.
Пульт управления предназначен для запуска и остановки ЭХГ, подключения нагрузки, перевода ЭХГ в режим холостого хода, индикации текущего режима работы и состояния агрегатов.
Источник питания с гальванической развязкой от силовых цепей энергетической установки предназначен для питания всех узлов электронных схем и датчиков.
Клапан отсечки высокого давления предназначен для подключения баллонов с водородом к топливной магистрали ЭХГ. Клапан устанавливается между баллонами с водородом и редуктором. Управление клапаном осуществляет микроконтроллерный блок, который дополнительно выставляет цифровой сигнал уровня ТТЛ, соответствующий состоянию клапана, на вход миникомпьютера.
Клапан отсечки высокого давления предназначен для подключения баллонов с кислородом к магистрали с окислителем топлива ЭХГ. Клапан установлен между баллонами с кислородом и редуктором. Управление клапаном осуществляет микроконтроллерный блок, который дополнительно выставляет цифровой сигнал уровня ТТЛ, соответствующий состоянию клапана, на вход миникомпьютера.
Два клапана отсечки высокого давления предназначены для подключения баллонов с азотом к магистралям консервации и дренажа ЭХГ. Клапаны установлены между баллонами с азотом и редукторами. Управление клапанами осуществляет микроконтроллерный блок, который дополнительно выставляет цифровые сигналы уровня ТТЛ, соответствующие состоянию клапанов, на входы миникомпьютера.
Датчик давления предназначен для измерения давления водорода в баллонах. Датчик врезан в водородный трубопровод между баллонами и клапаном. Выходной сигнал датчика подключен к миникомпьютеру через АЦП и коммутатор сигналов.
Датчик давления предназначен для измерения давления водорода на входе в ЭХГ. Датчик врезан в топливную магистраль ЭХГ после редуктора. Выходной сигнал датчика подключен параллельно к микроконтроллерному блоку и к миникомпьютеру через АЦП и коммутатор сигналов.
Датчик давления предназначен для измерения давления кислорода в баллонах. Датчик врезан в кислородный трубопровод между баллонами и клапаном. Выходной сигнал датчика подключен к миникомпьютеру через АЦП и коммутатор сигналов.
Датчик давления предназначен для измерения давления кислорода на входе в ЭХГ. Датчик врезан в кислородный трубопровод после редуктора. Выходной сигнал датчика подключен параллельно к микроконтроллерному блоку и к миникомпьютеру через АЦП и коммутатор сигналов.
Датчик давления предназначен для измерения давления азота в баллонах. Датчик должен в азотный трубопровод между баллонами и клапаном. Выходной сигнал датчика подключен к миникомпьютеру через АЦП и коммутатор сигналов.
Два датчика давления предназначены для измерения давления азота. Датчики врезаны в топливную и дренажную магистрали ЭХГ после редукторов. Выходные сигналы датчиков подключены к миникомпьютеру через АЦП и коммутатор сигналов.
Датчик температуры предназначен для измерения температуры водорода на входе в ЭХГ. Датчик установлен в карман водородного трубопровода после редуктора. Выходной сигнал датчика подключен к миникомпьютеру через АЦП и коммутатор сигналов.
Датчик температуры предназначен для измерения температуры кислорода на входе в ЭХГ. Датчик установлен в карман кислородного трубопровода после редуктора. Выходной сигнал датчика подключен к миникомпьютеру через АЦП и коммутатор сигналов.
Датчик температуры предназначен для измерения температуры охлаждающей жидкости на выходе внешнего контура охлаждения ЭХГ. Датчик установлен в карман трубопровода контура охлаждения. Выходной сигнал датчика подключен параллельно к микроконтроллерному блоку и к миникомпьютеру через АЦП и коммутатор сигналов.
Датчик температуры предназначен для измерения температуры охлаждающей жидкости на входе внешнего контура охлаждения ЭХГ. Датчик установлен в карман трубопровода контура охлаждения. Выходной сигнал датчика подключен параллельно к микроконтроллерному блоку и к миникомпьютеру через АЦП и коммутатор сигналов.
Два датчика напряжения предназначены для измерения тока нагрузки двух пар последовательно включенных батарей топливных элементов "Фотон". Датчики измеряют напряжение на шунтах, установленных в цепях нагрузки. Выходные сигналы датчиков подключены к миникомпьютеру через АЦП и коммутатор сигналов.
Датчик напряжения предназначен для измерения напряжения нагрузки. Датчик должен установлен на выходе силовой энергетической установки. Выходной сигнал датчика подключен параллельно к микроконтроллерному блоку и к миникомпьютеру через АЦП и коммутатор сигналов.
Датчик напряжения предназначен для измерения тока нагрузки. Датчик измеряет напряжение на шунте, установленном в цепи нагрузки. Выходной сигнал датчика подключен параллельно к микроконтроллерному блоку к миникомпьютеру через АЦП и коммутатор сигналов.
Два датчика напряжения предназначены для измерения напряжения на двух половинах аккумуляторной батареи. Выходные сигналы датчиков подключены к миникомпьютеру через АЦП и коммутатор сигналов.
Двухполярный датчик напряжения предназначен для измерения тока заряда/разряда аккумуляторной батареи. Датчик измеряет напряжение на шунте, установленном в цепи аккумуляторной батареи. Выходные сигналы датчика подключены к миникомпьютеру через АЦП и коммутатор сигналов.
Четыре датчика напряжения предназначены для измерения напряжения на выходе батарей "Фотон". Выходные сигналы датчиков подключены к миникомпьютеру через АЦП и коммутатор сигналов.
Датчик тока вентилятора внешнего охлаждающего контура предназначен для контроля работы вентилятора и установлен в цепь его
питания. Выходной сигнал датчика подключен к миникомпьютеру через АЦП и коммутатор сигналов.
Датчики температуры воздуха предназначены для определения предельно допустимой рабочей и пожароопасной температуры. Десять датчиков температуры воздуха установлены во всех отсеках энергетического вагона. Выходные сигналы датчиков подключены к миникомпьютеру через АЦП и коммутатор сигналов.
Датчики концентрации водорода предназначены для определения утечек и образования взрывоопасной концентрации водорода. Четыре датчика водорода установлены в верхней части отсека с водородными баллонами и ЭХГ. Выходные сигналы каждого датчика подключены параллельно к микроконтроллерному блоку и к миникомпьютеру через АЦП и коммутатор сигналов.
Датчики концентрации кислорода предназначены для определения утечек кислорода. Три датчика кислорода установлены в нижней части отсеков с кислородными баллонами и с ЭХГ. Выходные сигналы каждого датчика подключены параллельно к микроконтроллерному блоку и к миникомпьютеру через АЦП и коммутатор сигналов.
Электронный блок изготавливается на базе серийного промышленного микроконтроллера с встроенной Flash памятью программ и данных. Архитектура микроконтроллера предусматривает встроенный сторожевой таймер и детектор пониженного напряжения питания для исключения режимов "зависания". Нагрузочная способность отдельных портов ввода/вывода должна быть не менее 10 мА. Предельная рабочая температура микроконтроллера должна перекрывать диапазон от минус 30 до плюс 50°С. Максимально и минимально допустимые отклонения напряжения питания микроконтроллера, при которых сохраняются все данные оперативной памяти, должны отличаться от рабочего напряжения не менее чем на ±20%. Входы/выходы микроконтроллера должны быть совместимы с уровнем ТТЛ сигналов.
2
Миникомпьютер в промышленном варианте исполнения по своей архитектуре должен быть совместим с микроконтроллером 80486SX, позволяющим использовать стандартные средства для 16 и 32 - битных х86 платформ. В состав миникомпьютера должны входить графический контроллер со стандартным RGB интерфейсом, таймер реального времени, не менее двух 16-ти битных таймеров общего назначения, встроенная SDRAM память, интегрированные периферийные интерфейсы, контроллер клавиатуры. Для сбора данных должен использоваться жесткий диск индустриального варианта изготовления. Жидкокристаллический дисплей на базе TFT LCD модуля должен быть промышленного применения с антибликовым покрытием. Яркость дисплея, не менее 250 кд/м; контрастность, не менее 300:1; угол обзора, не менее 45°; система подсветки CCFL, диапазон рабочих температур от минус 10 до плюс 55°С;
В измерительной части ЭСУ должен используется 12-ти разрядный АЦП с двухполярным диапазоном входных сигналов. Входное сопротивление каналов АЦП должно быть не менее 1 МОм, время преобразования по одному каналу - не более 10 мкс, интегральная нелинейность преобразования - не более ±1.2 МЗР, время установления аналогового тракта при максимальном перепаде напряжения - не более 2 мкс, смещение нуля - не более 1 МЗР. Входная защита каналов при включенном питании должна выдерживать ±15 В. Коммутатор каналов должен быть рассчитан на последовательное подключение не менее 32 каналов и иметь программируемый усилитель.
На пульте управления устанавливаются сигнальные светодиоды, предназначенные для индикации режимов работы и отображение состояния систем. Светодиоды должны иметь яркость не менее 2 мкд и работать в диапазоне температур -40...+60°С.
Источник питания изготавливается на базе DC-DC и DC-AC преобразователей и должен иметь гальваническую развязку от силовых цепей энергетической установки.
Источник питания должен обеспечивать следующие стабилизированные напряжения и токи для питания датчиков и узлов ЭСУ:
max
+5B, I=2,0A
max
+9В, I=0,5А
max
+12В, I=0,8A
max
+15В, I=0,5А
max
-15В, I=0,5A
max
+24В, I=2,0A
max
+27В, I=1,5А
max
Для питания вентиляторов источник питания должен обеспечивать напряжение ~220 В, 50 Гц, I=2,5 А.
DC-DC преобразователи должны иметь: входной встроенный фильтр, электрическую прочность изоляции не менее 1500 В, рабочий температурный диапазон -40...+80°С, точность установки выходного напряжения ±1% от максимального значения, температурный коэффициент выходного напряжения не более ±0,05%/°С, уровень шумов на выходе не более 60 мВ, защиту от короткого замыкания с автоматическим восстановлением, защиту от перенапряжения на выходе.
Для питания нагревательных элементов при запуске батарей "Фотон" используются ответвления от аккумуляторной батареи напряжением 24-30 В. С целью равномерной загрузки элементов аккумуляторной батареи миникомпьютер должен отслеживать режимы потребления и периодически перекоммутировать подключения.
2
2
Клапан отсечки водорода высокого давления должен быть рассчитан на максимальное рабочее давление не менее 250 кг/см и иметь проходное сечение 12...15 мм. Допускается применение двухпозиционного электромагнитного клапана или клапана с запорным механизмом приводимым в движение сервомотором.
2
Клапан отсечки кислорода высокого давления должен быть рассчитан на максимальное рабочее давление не менее 250 кг/см и иметь проходное
2
сечение 13...16 мм. Допускается применение двухпозиционного электромагнитного клапана или клапана с запорным механизмом приводимым в движение сервомотором.
2
2
Два клапана отсечки азота высокого давления должны быть рассчитаны на максимальное рабочее давление не менее 250 кг/см и иметь проходные сечения 12...15 мм. Допускается применение двухпозиционных электромагнитных клапанов или клапанов с запорным механизмом приводимым в движение сервомотором.
2
Для измерения давления водорода, кислорода и азота перед отсечными клапанами используются датчики избыточного давления с пределом измерений 300 кг/см. Диапазон рабочих температур датчиков должен быть не менее -25...+60°С. Датчики должны иметь встроенный усилитель с диапазоном выходных сигналов 0...5 В и защиту выхода от короткого замыкания. Напряжение смещения нуля датчиков не должно превышать ±40 мВ. Измерительная схема датчиков должна иметь температурную компенсация изменений напряжения смещения нуля и чувствительности при изменении температуры в диапазоне 0...50°С. Нелинейность выходных характеристик датчиков не должна превышать ±0,25%, гистерезис - ±0,15%. Материал контактирующий с измеряемой средой - нержавеющая сталь.
2
Датчики давления водорода и кислорода на выходе из редукторов, а также датчик давления азота основной магистрали должны иметь предел измерений 30 кг/см.
2
Датчик давления азота дренажной магистрали должен иметь предел измерений 3 кг/см.
Для измерения температуры водорода и кислорода на входе в ЭХГ используются платиновые термометры сопротивления с рабочим диапазоном -30...+100°С. Балластные сопротивления измерительной схемы должны находиться в блоке с микроконтроллером.
Для измерения температуры охлаждающей жидкости на входе и выходе внешнего контура охлаждения ЭХГ должны используются платиновые термометры сопротивления с рабочим диапазоном 0...+120°С. Балластные сопротивления измерительной схемы должны находиться в блоке с микроконтроллером.
Для измерения токов в цепях ЭХГ, основной нагрузки, заряда/разряда аккумуляторной батареи, вентилятора внешнего охлаждающего контура используются датчики напряжения с гальванической развязкой типа LV 25-Р. Для измерений должны использоваться токовые шунты: 0-500 А для цепей ЭХГ, 0-1000 А для цепи нагрузки, 0-100 А для цепи заряда/разряда аккумуляторной батареи, 0-5 А для цепи вентилятора внешнего охлаждающего контура. Напряжение токовых шунтов должно подаваться на входы инструментальных операционных усилителей типа AD627c однополярным питанием. Питание каждого усилителя должно подаваться с выхода DC-DC преобразователя с гальванической развязкой типа P6BU0512Z. Входное напряжение DC-DC преобразователей +12 В и напряжения ±15 В питания датчиков LV 25-P должны подаваться с источника питания ЭСУ (п.3.4.6).
Для измерения напряжений основной нагрузки, аккумуляторной батареи, напряжений на выходе батарей "Фотон" используются двухполярные компенсационные датчики напряжения на эффекте Холла с гальванической развязкой типа LV 25-P. Измеряемые сигналы должны подаваться через балластные резисторы, величина которых обеспечивает максимальный входной ток датчика на уровне ±10 мА. Выходные нагрузочные резисторы датчиков должны быть в диапазоне 100...350 Ом. Электрическая прочность изоляции между первичной и вторичной цепями датчиков должна составлять не менее 2000 В. Ток потребления датчиков, не более 10 мА, точность преобразования ±1%, нелинейность выходного сигнала, не более 0,2%, температурный дрейф, не более ±0,25 мА, время задержки преобразования
входного сигнала, не более 40 мкс. Рабочий температурный диапазон датчиков -25...+70°С.
Для измерения температуры воздуха в отсеках энергетического вагона используются платиновые термометры сопротивления с рабочим диапазоном -20...+200°С. Термометры сопротивления подключаются к измерительной цепи кабелями с термостойкой изоляцией. Балластные сопротивления измерительной схемы должны находиться в блоке с микроконтроллером.
Датчики концентрации водорода реагируют на содержание в воздухе водорода довзрывоопасной концентрации (ниже 4,7%). Допускается применение датчиков ИГС-98 Верба с выходным сигналом по напряжению 0-3 В, пропорциональным концентрации водорода в диапазоне от 0 до 3% по объему.
Датчики концентрации кислорода должны реагировать на содержание в воздухе кислорода от 0 до 100%. Допускается применение датчиков ИГС-98 Клевер с выходным сигналом по напряжению 0-3 В, пропорциональным концентрации кислорода в диапазоне от 0 до 100% по объему.
Запуск установки должен производиться в следующем порядке:
- от аккумуляторной батареи подается питание на систему управления;
- при нажатии кнопки «Пуск» на пульте управления установки замыкается коммутатор и подается питание на конвертор DC/DC;
- замыкается коммутатор подачи питания на блок дожигания водорода и далее до отключения питания блока установка работает автономно;
- замыкается коммутатор подачи питания на блок сброса кислорода и далее до отключения питания блока установка работает автономно;
- замыкаются коммутаторы питания блоков автоматики ЭХГ;
- выдаются команды на включение автоматики;
- после получения от всех четырех ЭХГ сигнала «Автоматика включена» выдаются команды «Деблокировка» и «Исходное» на все четыре ЭХГ, ЭСУ и блоки автоматики должны начать отслеживать сигналы «Отказ» и «Газ под изоляцией»;
- включается питание электронагревателей;
- ЭСУ и блоки автоматики начинают отслеживать температуру теплоносителя на выходе батарей топливных элементов всех четырех ЭХГ;
- при достижении температуры теплоносителя на выходе батареи топливных элементов 105°С соответствующий ЭХГ готов к принятию нагрузки: отключается его электронагреватель и ЭХГ подключается к общей шине нагрузки. При готовности первого ЭХГ запускается насос теплоносителя. При готовности всех четырех ЭХГ энергоустановка готова принять нагрузку.
При работе под нагрузкой ЭСУ и блоки автоматики контролируют:
- ток и напряжение ЭХГ;
- ток и напряжение нагрузки;
- давление водорода, кислорода и азота;
- температуру теплоносителя внешнего контура;
- концентрацию водорода в отсеке с установкой;
- концентрацию водорода в отсеке с водородными баллонами;
- концентрацию водорода на выходе блока дожигания водорода;
- концентрацию кислорода в отсеке с кислородными баллонами;
- концентрацию кислорода на выходе блока сброса кислорода;
- неисправности четырех ЭХГ: при получении сигнала «Отказ» хотя бы от одного ЭХГ производится останов установки;
- наличие газа под изоляцией: при получении сигнала «Газ под изоляцией» хотя бы от одного ЭХГ производится останов установки;
- время работы между продувками: каждые 0,5 часа производятся кислородные продувки, каждый час производятся водородные продувки.
В режимах запуска и работы установки формируются два вида сигналов: предупреждающие и отказные.
Предупреждающие сигналы означают, что нарушены режимы работы установки, но она еще может функционировать некоторое время. Предупреждающий сигнал выводится на пульт управления и сопровождается
звуковым сигналом. По этому сигналу обслуживающий персонал обязан отключить нагрузку, выключить установку и приступить к выяснению и устранению причины нарушения. Предупреждающие сигналы выдаются в следующих случаях:
- давление газов в баллонах достигло нижнего предела;
- температура теплоносителя внешнего контура достигла верхнего предела;
- концентрация кислорода на выходе блока сброса кислорода достигла верхнего допустимого значения;
Отказные сигналы означают, что нарушения режимов функционирования установки достигли опасного предела. По этому сигналу установка немедленно автоматически выключается и переводится в состояние отказа. Питание вагона переводится на буферную аккумуляторную батарею. Отказной сигнал выводится на пульт управления и сопровождается звуковым сигналом. Отказные сигналы выдаются в следующих случаях:
- выдача сигнала «Отказ» любым из четырех ЭХГ;
- выдача сигнала «Газ под изоляцией» любым из четырех ЭХГ;
- выдача сигнала «Газ в отсеке»;
- превышение концентрации водорода на выходе блока дожигания водорода;
Остановка установки производится при нажатии кнопки «Останов» на пульте управления при штатном останове или в случае возникновения предупреждающих сигналов, а также системой управления в случае возникновения отказных сигналов. Останов производится в следующем порядке:
- ЭХГ отключаются от общей шины нагрузки;
- перекрывается подача газов в ЭХГ;
- продуваются кислородные полости азотом;
- отключается питание блоков автоматики ПБА-406;
- отключается питание блока дожигания водорода и блока сброса кислорода;
- отключается питание силовой энергоустановки.
Таким образом, при использовании заявленной полезной модели обеспечивается оперативный контроль и управление энергосистемой, то есть обеспечивается управление системой подачи топлива, выбор оптимального режима нагрузки и безопасность при работе системы подачи топлива.
Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что приведенное выше раскрытие изобретения не ограничивает объем притязаний, а является лишь описанием варианта осуществления электронной системы управления энергоустановкой.