МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ И ДИАГНОСТИКИ ЛОКОМОТИВА

Полезная модель относится к многофункциональным средствам управления и обеспечения безопасности транспортных средств, в частности к микропроцессорным системам управления и диагностики локомотива.
Известна многофункциональная автоматизированная система управления и обеспечения безопасности АСУБ «Локомотив» (ж. «Современные технологии автоматизации», 1998, №4, с.34-41). Данная система предназначена для управления и диагностики тяговым приводом, а так же для управления вспомогательными приводами.
Основным модулем АСУБ «Локомотив» является аппаратно-программный комплекс (АПК) «Пилот», состоящий из ряда приборов и устройств (рис.1). Прежде всего, это центральный блок управления (ЦБУ), выполненный на базе модулей 5066 и 5600_96 MicroPC фирмы Octagon Systems. Он предназначен для сбора информации от дискретных, аналоговых и частотных датчиков и выдачи управляющего воздействия на исполнительные устройства, а также формирования сигналов для управления тиристорным преобразователем и электронным регулятором частоты вращения вала дизеля. Еще одна функция блока - сохранение диагностической информации в сменной кассете. Имеются также два температурных измерителя, которые обеспечивают прием сигналов от датчиков температуры и передачу информации в ЦБУ. Температура измеряется для диагностики систем дизеля, а также для индикации состояния контролируемых сред (воды, масла, выпускных газов) на пульте машиниста. Кроме того, в комплексе «Пилот» задействованы доплеровский измеритель скорости, достоинством которого являются высокая точность показаний и независимость их от диаметра колес, а также съемный энергонезависимый накопитель, предназначенный для ввода параметров движения, используемых при автоведении, для записи диагностической информации и информации о параметрах движения во время поездки. В состав системы дополнительно входят два пульта машиниста, комплект датчиков и источников питания. Связь между дисплеями пульта машиниста, температурными измерителями и центральным блоком управления осуществляется через последовательный канал RS-232 (используется модуль 5558 фирмы Octagon Systems).
Недостатками известной системы являются:
- невозможность просмотра архива сохраненных диагностических сообщений на экране монитора;
- невозможность просмотра архива сохраненных параметров дизель-генератора, электропередачи, электрических аппаратов и вспомогательных приводов локомотива на экране монитора.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является микропроцессорная система управления (МПСУ-ТП) модернизированного тепловоза 2ТЭ116КМ (ж. «Современные технологии автоматизации», 2004, №3, с.46 - 52).
МСПУ - ТП состоит из следующих конструктивно законченных функциональных частей:
- устройства обработки информации (УОИ) (рис.2);
- дисплейного модуля (ДМ) GercomC820 (Германия);
- силового шестиканального управляемого выпрямительного модуля М_ТПП_3600 У2 (УВМ) (рис.3);
- измерителя температурного (ИТ);
- двух вольтодобавочных устройств (ВДУ);
- двух блоков питания преобразователей частоты (БППЧ);
- блока включателей тиристоров управляемого выпрямителя возбуждения (БВТ УВВ);
- контроллера машиниста (К М) Lekovl KRD 40 (Чехия);
- комплекта датчиков и преобразователей.
Также на тепловозе установлен электронный регулятор частоты вращения коленчатого вала дизеля, связь которого с устройством обработки информации МПСУ - ТП осуществляется по последовательному каналу.
Дисплейный модуль и контроллер машиниста располагаются на пульте управления (рис.4). Аналоговые и частотные сигналы, полученные с борта тепловоза, анализируются системой допускового контроля. Результатом анализа является расчет отклонения измеренной величины от значения, оговоренного в ТУ на данный параметр. На панель выводится соответствующий комментарий (норма, меньше нормы, больше нормы). При обнаружении отклонений в работе тех или иных агрегатов тепловоза выводится аварийное сообщение на дисплей машиниста, которое снимается кнопкой квитирования.
Недостатками известной системы являются:
- отсутствие возможности записи параметров дизель - генератора, электропередачи, электрических аппаратов и вспомогательных приводов локомотива;
- отсутствие возможности записи диагностических сообщений
- отсутствие возможности сохранения параметров двигателя и дизель - генератора, электропередачи, электрических аппаратов и вспомогательных приводов локомотива для последующего просмотра на экране монитора данных и анализа неисправностей узлов и систем локомотива и/или ошибок в работе бригады.
Технической задачей заявленной полезной модели является расширение функциональных возможностей микропроцессорной системы управления и диагностики.
В микропроцессорной системе управления и диагностики локомотива (МПСУиД), которая содержит мониторный блок (МБ), предназначенный для отображения текущей информации об измеряемых параметрах локомотива и аварийных сообщений, блок центрального вычислителя (БЦВ), предназначенный для выполнения алгоритмов управления системой и для обмена по интерфейсу между блоками, блоки управления контакторами (БУК), предназначенные для управления электромагнитными и электропневматическими клапанами локомотива в соответствии с управляющими сигналами БЦВ и диагностики включаемых аппаратов, блоки связи с пультом (БСП), предназначенные для обработки сигналов, поступающих от органов управления локомотива и обеспечивающие информационный обмен по интерфейсу с БЦВ, устройства входных сигналов (БВС), преобразователи напряжения в код (ПНКВ), предназначенные для преобразования постоянного напряжения в цифровой формат и передачи по интерфейсу результатов измерений, блок управления возбуждением (БУВ), предназначенный для измерения частоты вращения коленчатого вала дизеля по сигналу тахогенератора дизеля, для формирования напряжения возбуждения тягового генератора с помощью управления тиристорами управляемого выпрямителя, блок связи с датчиками давления (БС-ДД), предназначенный для преобразования сигналов с датчиков напряжения, установленных на локомотиве, в последовательный код и передачи их по интерфейсу в БЦВ, блоки связи с токовыми датчиками давления (БС-ДД-Т), предназначенные для преобразования сигналов с датчиков давления и температуры, установленных на локомотиве, в последовательный код и передачи его по интерфейсу в БЦВ, а также для обеспечения питания датчиков и диагностики нарушений их работы, блок связи с датчиками пути скорости (БС-ДПС-БЗС), предназначенный для преобразования импульсного сигнала с датчика пути скорости в цифровой код и передачи обработанных сигналов в БЦВ, новым является то, что мониторный блок выполнен с дополнительными функциями диагностики систем и сохранения архива с возможностью текущего и последующего просмотра параметров микропроцессорной системы управления, которая дополнительно содержит пульт речевой информации с функцией синтезатора речи, устройство взаимодействия с локомотивом посредством цифровой технологической радиосвязи (СВЛ-ТР), а устройства входных БВС и выходных сигналов выполнены в виде блоков, при этом все блоки и устройства, входящие в МПСУ, распределены группами по отсекам локомотива и связаны между собой по последовательному дублированному интерфейсу. Блоки ПНКВ связаны входом - выходом по отдельным последовательным каналам с БУВ и БЦВ для сбора и передачи данных с ПНКВ в БЦВ.
Микропроцессорная система дополнительно содержит регулятор электрического тормоза (РЭТ) для обеспечения торможения локомотива с постоянным тормозным усилием вплоть до достижения скорости 2 км/ч. Кроме того, микропроцессорная система дополнительно содержит блок индикации (БИ), предназначенный для отображения режимов работы силовой схемы локомотива и аварийных сигналов. Блоки входных и выходных сигналов микропроцессорной системы выполнены в виде отдельных модулей.
Группа блоков БВС, устройство взаимодействия с локомотивом посредством цифровой технологической радиосвязи СВЛ - TP, группа БУК, блок связи с датчиками пути скорости БС-ДПС-БЗС, блоки преобразователей напряжения в код ПНКВ смонтированы в высоковольтной камере локомотива.
Группа блоков управления контакторами БУК, группа блоков входных сигналов БВС, блок связи с датчиками давления токовыми БС-ДД-Т, блок связи с датчиками давления БС-ДД, блок управления возбуждением БУВ смонтированы в дизельном отсеке локомотива.
Блок связи с пультом БСП, группа блоков входных сигналов БВС, группа блоков связи с датчиками давления токовыми БС-ДД-Т, мониторный блок МБ смонтированы на основном пульте управления локомотива.
Блок связи с основным пультом БСП, группа блоков входных сигналов БВС, группа блоков связи с датчиками токовыми БС-ДД-Т, пульт речевой информации с функцией синтезатора речи, блок индикации БИ смонтированы на вспомогательном пульте кабины управления локомотива.
Блок центрального вычислителя БЦВ обеспечивает связь отдельных секций для возможности работы локомотива по системе многих единиц.
БСП дополнительно снабжен CAN - интерфейсом для связи с внешними устройствами.
Блок связи БС - ДД выполнен с дополнительными функциями измерения величины сопротивления изоляции цепей управления относительно корпуса локомотива и обеспечения диагностики подключенных датчиков.
Заявленное техническое решение поясняется схемой, где
1 - блок центрального вычислителя (БЦВ);
2.1, 2.2 - блоки связи с пультом (БСП);
3.1 - 3.4 - блоки входных сигналов (БВС);
4 - блок управления возбуждением (БУВ);
5 - блок связи с датчиками угла поворота (БС-ДПС-БЗС);
6.1, 6.2 - блоки управления контакторами (БУК);
7.1-7.2 - блоки связи с датчиками давления токовыми (БС-ДД-Т);
8 - блок связи с датчиками давления (БС - ДД);
9.1, 9.2 - блоки преобразователей напряжения в код (ПНКВ);
10 - блок индикации локомотива (БИ);
11 - регулятор электрического тормоза (РЭТ);
12 - система взаимодействия с локомотивом посредством цифровой технологической радиосвязи (СВЛ-ТР);
13 - мониторный блок (МБ).
Микропроцессорная система управления и диагностики (МПСУиД) локомотива содержит блок центрального вычислителя (БЦВ) 1, блоки связи с пультом (БСП) 2.1, 2.2, блоки входных сигналов (ВВС) 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, блок управления возбуждением (БУВ) 4, блок связи с датчиками угла поворота (БС-ДПС-БЗС) 5, блоки управления контакторами (БУК) 6.1, 6.2, блоки связи с датчиками давления токовыми (БС-ДД-Т) 7.1, 7.2, 7.3, блок связи с датчиками давления (БС-ДД) 8, блоки преобразователей напряжения в код (ПНКВ) 9.1, 9.2, блок индикации локомотива (БИ) 10, регулятор электрического тормоза (РЭТ) 11, система взаимодействия с локомотивом посредством цифровой технологической радиосвязи (СВЛ-ТР) 12, мониторный блок (МБ) 13. Блоки системы распределены по отсекам локомотива следующим образом: в высоковольтной камере (ВВК) смонтированы блоки БС-ДПС-БЗС 5, БУК 6.1, БВС 3.1, СВЛ-ТР 12 и блоки ПНКВ 9.1, 9.2; в дизельном помещении смонтированы блоки БУК 6.2, БВС 3.2, БС-ДД-Т 7.1, БС-ДД 8, РЭТ 11, БУВ 4; на основном пульте смонтированы блоки БСП 2.1, БВС 3.3, БС-ДД-Т 7.2, МБ 13; на вспомогательном пульте смонтированы блоки БСП 2.2, БВС 3.4, БС-ДД-Т 7.3, БИ 10. Все блоки системы связаны между собой по последовательному дублированному интерфейсу RS-485. Блоки ПНКВ соединены с БЦВ через блок управления возбуждением БУВ по отдельным каналам связи для сбора и передачи данных с ПНКВ в БЦВ.
Микропроцессорная система управления и диагностики локомотива работает следующим образом. Во время работы локомотива БЦВ 1 принимает информацию от блоков БСП 2.1, 2.2 о состоянии органов управления и вводит ее в систему в виде дискретных сигналов. Блоки БВС 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 передают в ВВЦ информацию о состоянии электрических аппаратов и дискретных датчиков. Блок БУВ 4 передает в БЦВ информацию об оборотах дизеля. Кроме того, БУВ выдает импульсы для управления тиристорным выпрямителем.
Блок БС-ДПС-БЗС 5 по дублированному интерфейсу RS-485 передает информацию о скорости и пройденном пути локомотива. На основании данной информации, а также в соответствии с заложенными алгоритмами, БЦВ вырабатывает команды для БУКов 6.1, 6.2. В соответствии с этими командами блоки БУК управляют электромагнитными и электропневматическими контакторами, а также электропневматическими клапанами локомотива. Кроме того, в БЦВ поступает информация от БС-ДД-Т 7.1,7.2, 7.3 о значении уровней датчиков температуры и давления. Блоки БС-ДД 8 передают в БЦВ информацию о сопротивлении изоляции цепей управления, а также о сигнале свободной мощности дизеля. БС-ДД преобразовывает сигналы от 0 до 5 В в последовательный код для передачи по интерфейсу RS-485. Также БС-ДД обеспечивают диагностику подключенных датчиков. Блоки ПНКВ 9.1, 9.2 через БУВ передают в БЦВ в цифровом формате значения уровней токов тяговых электродвигателей, напряжения генератора, напряжения аккумуляторных батарей. Сигналы поступают в БУВ по линиям связи системы измерения (СИ-1 и СИ-2), откуда передаются в БЦВ по линии связи МПСУиД. Блок индикации 10 (БИ) получает данные от блока БЦВ и, с помощью индикаторов, осуществляет вывод машинисту на вспомогательный пульт визуальной информации о текущих режимах электропередачи, номерах позиций, сигналов о скольжении колесных пар. Индикатор представляет собой пиктограмму, нанесенную на цветную пленку со светодиодной подсветкой. Размер одной пиктограммы не менее 10x10 мм, размер шрифта надписей не менее 7 мм. Предусмотрена регулировка яркости индикаторов.
В режиме электрического торможения, когда ток возбуждения тягового двигателя достигает максимального значения, для обеспечения торможения локомотива с постоянным усилием, БЦВ передает команду на торможение регулятору электрического тормоза (РЭТ) 11, который обеспечивает работу электрического тормоза при скоростях до 2 км/ч.
Мониторный блок (МБ) 13 непрерывно считывает всю информацию, присутствующую в линии обмена для сохранения данных в энергозависимую память, для отображения текущих параметров локомотива, а также предупредительных и аварийных сообщений о неисправностях оборудования. Просмотр регистрируемых параметров осуществляется в виде графиков непосредственно на МБ или на стандартном компьютере с операционной системой Windows 98 и более поздних. МБ также осуществляет функцию диагностирования всех блоков МПСУиД. Вся диагностическая информация выводится в графическом и текстовом виде на жидкокристаллическую панель. На дисплей в постоянном режиме выводится основная информация, необходимая для ведения поезда. Кроме того, по запросу машиниста выводится дополнительная диагностическая информация. При отказе оборудования и аварийной ситуации предусмотрен экстренный приоритетный вывод на дисплей аварийных сообщений в виде всплывающих окон.
Основная информация содержит: состояние контролируемого оборудования и цепей локомотива, заданный режим управления, состояние силовой схемы локомотива.
Дополнительная диагностическая информация отображает состояние цепей управления локомотива, а также заданные и фактические значения токов в каждом тяговом двигателе, заданные и фактические значения тока возбуждения, скорость локомотива, состояние каналов связи, архив сообщений, выводимых на дисплей во время работы.
Диагностические (аварийные) сообщения отображают наименование участка цепи, дату сообщения, наименование отказа или неисправности, вероятную причину отказа или неисправности и сохраняются для последующего анализа.
Диагностическая информация из мониторного блока передается в СВЛ-ТР 12, а оттуда по каналу GSM передается на удаленный сервер, например, на пульт диспетчера на станции. Интерфейс обмена CAN.
БЦВ обеспечивает связь отдельных секций многосекционного локомотива по дублированному интерфейсу RS-485 через линии связи СМЕ-1 и СМЕ-2 (интерфейс с повышенным до 12 В уровнем сигнала).
Заявленная полезная модель «Микропроцессорная система управления и диагностики локомотива» успешно прошла промышленные испытания на маневрово-вывозном тепловозе ТЭМ 9, о чем был составлен соответствующий акт, подтверждающий промышленную применимость системы.