АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ КОРАБЕЛЬНОГО БАЗИРОВАНИЯ
AUTOMATED SYSTEM OF CONTROL AND DIAGNOSTICS OF SHIP-BASED ACCUMULATOR BATTERIES

Изобретение относится к комплексным автоматизированным системам, а именно к системам для контроля работоспособности и диагностики неисправностей обслуживаемых и необслуживаемых аккумуляторных батарей различных (подвижных и стационарных) объектов на базе средств вычислительной техники. Изобретение может быть использовано в различных отраслях (судостроение, энергетика, нефтеперерабатывающая промышленность и т.д.).
Известна система диагностики аккумуляторной батареи Battery Diagnostic System (BDS), состоящая из измерительно-коммутационного блока, вычислительного блока (персональный компьютер) и печатающего устройства (Интернет-ресурс http://overview.narod.ru/accu.htm. Особенности эксплуатации, методы содержания и диагностики новых типов аккумуляторных батарей. В.В.Косулин). Измерительно-коммутационный блок содержит измерительные аналого-цифровые преобразователи, аварийные выключатели нагрузки батареи, интерфейс на базе однокристальной микроЭВМ и светодиодную сигнализацию - "BDS-исправно", "Разряд батарей", "Авария батареи", "Критическая остаточная емкость". Такая система позволяет накапливать и анализировать информацию о состоянии батарей и выводить ее в удобном виде.
Недостатком системы являются ограниченные функциональные возможности, не позволяющие осуществлять контроль уровня и температуры электролита в банках аккумуляторной батареи, а также определять плотность электролита (являющуюся важным дополнительным параметром текущего состояния аккумулятора), значения которых необходимы для объективной оценки состояния аккумуляторной батареи как в нормальных, так и в критических режимах эксплуатации (форсированный заряд, глубокий разряд).
Известно также устройство для определения параметров свинцового аккумулятора, предназначенное для определения напряжения, плотности, уровня и температуры электролита, остаточной емкости и диагностического параметра свинцового аккумулятора, позволяющего оценивать сопротивление диффузии электролита и устанавливать время проведения профилактических мероприятий (перезарядки или лечебного цикла) (Патент РФ на изобретение №2127010 «Устройство для определения параметров свинцового аккумулятора» от 18.12.1995, МПК6 Н01М 10/48, G01R 31/36 и G06F 17/00, патентообладатель: Маслаков Михаил Дмитриевич).
Устройство содержит блок обработки результатов измерений с оперативной памятью, памятью программ и энергонезависимой памятью с электрическим стиранием, измеритель уровня электролита, цифровой вольтметр с аналого-цифровым преобразователем, интерфейсным блоком, модулем гальванической развязки и блоком питания. При этом ЭВМ вычисляет остаточную емкость и диагностический параметр аккумулятора по расчетным формулам.
Недостатком устройства являются ограниченные функциональные возможности, не позволяющие использовать устройство для проверки сопротивления изоляции аккумуляторов, объединенных в группы аккумуляторных батарей, а также недостаточная достоверность определения остаточной емкости аккумулятора (аккумуляторных батарей) в связи с невозможностью контроля токов нагрузки и токов заряда.
Известна система контроля параметров аккумуляторов и диагностирования судовых аккумуляторных батарей (Система контроля параметров аккумуляторов и диагностирования судовых аккумуляторных батарей. А.С.Дордий, В.Г.Шуляк, И.А.Еланцев, А.Ф.Горовой. - Кибернетика электрических систем: Материалы XXII сессии семинара "Диагностика электрооборудования", 25-27 сент. 2000 г. / Юж-Рос.гос.тех. ун-т. Новочеркасск: Ред. журн. "Изв. вузов. Электромеханика", 2000. С.97-98). Система состоит из ЭВМ верхнего уровня, устройства контроля тока и напряжения аккумуляторной батареи, включающего контроллер (блок обработки информации), датчики напряжения и тока аккумуляторной батареи, аккумуляторной батареи, подключенной через датчик тока к нагрузке и одновременно к зарядному устройству аккумуляторной батареи и включающей аккумуляторы (банки аккумуляторов), отдельные блоки подсистемы контроля параметров аккумуляторов (устройства контроля параметров аккумуляторов), установленные на каждой банке аккумуляторной батареи и объединенные в единую локальную вычислительную сеть (интерфейсная магистраль RS-232/485 или CAN-bus) с контроллером (блоком обработки информации) устройства контроля тока и напряжения аккумуляторной батареи и с ЭВМ верхнего уровня, измеряющие значения напряжения аккумулятора и получающие контрольные сигналы от датчиков плотности, уровня и температуры электролита, погруженных в межэлектродное пространство аккумулятора.
Недостатком системы является отсутствие возможности передачи необходимой информации о состоянии аккумуляторной батареи во внешнюю систему управления объектом (в том числе и для управления аккумуляторной батареей) для дистанционного контроля, отсутствие сигнализации (световой и звуковой) для привлечения внимания вахтенного персонала при возникновении аварийных ситуаций при эксплуатации аккумуляторной батареи объекта, отсутствие возможности документирования всех необходимых событий, происходящих при эксплуатации аккумуляторных батарей, а также недостаточная достоверность параметров плотности электролита в банках аккумуляторов, формируемых датчиками плотности.
Кроме этого в системе отсутствует возможность самоконтроля (тестирования) каналов ввода аналоговых сигналов напряжения, что существенно снижает достоверность измерения значений напряжения каждого аккумулятора в аккумуляторной батарее, значений напряжения аккумуляторной батареи в целом, определения сопротивления изоляции аккумуляторной батареи, измерения тока нагрузки и тока заряда аккумуляторной батареи.
Известно устройство (Патент РФ №2131158 «Устройство автоматического контроля технического состояния элементов аккумуляторной батареи» от 24.12.2007, МПК6 Н01М 10/48 и G01R 31/36, патентообладатель: Кубанский государственный технологический университет (RU)).
Сущность изобретения: емкость аккумуляторной батареи определяется путем измерения разности двух напряжений нагружаемой импульсом стабилизированного тока батареи и при ее несоответствии допустимому значению для данного типа аккумуляторной батареи по сигналу с блока управления осуществляется поэлементный контроль ее технического состояния и при необходимости ее подзаряд. Сравнение эталонной кривой с действующим значением осуществляется блоком сравнения, сигнал с которого поступает на вход блока управления. Сигналы с выхода блока управления поступают на блок коммутации и зарядное устройство. По сигналу с блока управления осуществляется подзаряд аккумулятора, признанного разряженным. После окончания заряда блок управления выдает сигнал на контроль емкости аккумуляторной батареи. Использование изобретения позволяет поддерживать АБ в готовности к применению во всех режимах работы системы автономного электроснабжения.
Недостатками устройства являются реализация в нем контроля только двух параметров (остаточная емкость и внутреннее сопротивление) и отсутствие возможности контроля температуры и уровня электролита в банках аккумуляторов, а также отсутствие возможности регистрации текущих параметров аккумуляторной батареи с их последующим архивированием.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является автоматизированная система (Патент РФ №2283504 «Автоматизированная система контроля и диагностики аккумуляторных батарей» от 28.06.2005, МПК G01R 31/36 (2006.01), патентообладатель: Закрытое акционерное общество «ИРИС» (RU)).
Автоматизированная система контроля и диагностики аккумуляторных батарей состоит из ЭВМ, подключенной к внешней системе управления объектом; принтера, сигнального устройства, устройства контроля тока и напряжения аккумуляторной батареи, включающего блок обработки информации, датчик напряжения, датчик тока, эталонный источник напряжения; аккумуляторной батареи, подключенной через датчик тока к нагрузке и одновременно к зарядному устройству аккумуляторной батареи и включающей аккумуляторы; устройств контроля параметров аккумуляторов, установленных на каждой банке аккумуляторной батареи, датчиков уровня и температуры электролита, датчиков ЭДС аккумуляторов, установленных в межэлектродное пространство банок аккумуляторов, и эталонных источников напряжения.
Преимуществом данной системы является расширение функциональных возможностей и повышение достоверности результатов контроля и диагностики за счет охвата комплексной проверкой всех аккумуляторов по напряжению на банке, выделенной части аккумуляторов по ЭДС, уровню и температуре электролита, по напряжению аккумуляторной батареи в целом, по току нагрузки и току заряда аккумуляторной батареи, дополненной расчетом значений плотности электролита, сопротивления изоляции, емкости, времени до окончания разряда аккумуляторной батареи, прогнозом остаточного ресурса и срока службы аккумуляторной батареи и в связи с автоматизацией процесса эксплуатации аккумуляторных батарей в целом.
Недостатками данной системы является:
- применение (помимо датчиков температуры и уровня электролита) датчиков ЭДС, требующих дополнительной доработки конструкции выделенной части банок аккумулятора (при выборочном контроле) или всех банок (при сплошном контроле) для их установки и закрепления на крышках банок;
- погружение в межэлектродное пространство банки дополнительных измерительных элементов, в общем случае несколько снижающих надежность работы аккумулятора;
- отсутствие контроля и оперативного оповещения эксплуатационного персонала о предельном понижении напряжения на борнах аккумуляторов в процессе разряда, что может привести к так называемому глубокому разряду с необратимым повреждением пластин в банках аккумуляторов;
- отсутствие контроля и оперативного оповещения эксплуатационного персонала о предельно низком или о предельно высоком уровне электролита в банках аккумулятора, то есть о событиях, являющихся потенциально взрывопожароопасными для объекта базирования;
- использование эксплуатационным персоналом для управления системой компьютерной клавиатуры (в составе ЭВМ) с контактным принципом действия, являющейся ненадежным компонентом;
- отсутствие возможности ведения электронного паспорта аккумуляторной батареи с представлением текущих параметров аккумуляторной батареи в реальном масштабе времени, а также с систематизированными данными по аккумуляторной батарее в течение всего срока ее службы.
Техническим результатом, достигаемым данным изобретением, является расширение функциональных возможностей и повышение достоверности результатов контроля и диагностики за счет охвата комплексной проверкой всех аккумуляторов по напряжению на банке, выделенной части аккумуляторов по ЭДС, уровню и температуре электролита, по напряжению аккумуляторной батареи в целом, по току нагрузки и току заряда аккумуляторной батареи, дополненной расчетом значений плотности электролита, сопротивления изоляции, емкости, времени до окончания разряда аккумуляторной батареи, прогнозом остаточного ресурса и срока службы аккумуляторной батареи и в связи с автоматизацией процесса эксплуатации аккумуляторных батарей в целом.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей автоматизированной системы для повышения достоверности результатов комплексной проверки аккумуляторной батареи корабельного базирования в автоматизированном режиме (контроль работоспособности батареи и диагностика неисправностей ее составных частей) и повышение надежности работы аккумуляторной батареи.
Поставленная цель достигается тем, что в автоматизированную систему контроля и диагностики аккумуляторных батарей корабельного базирования, содержащую сигнальное устройство, внешнюю систему управления объектом (в том числе и управления зарядом-разрядом аккумуляторной батареи), шину информационного обмена на базе интерфейса MIL-STD-1553В, устройство сопряжения, адаптер интерфейса MIL-STD-1553B, принтер; выход устройства сопряжения подключен к входу сигнального устройства, адаптер интерфейса MIL-STD-1553B через шину информационного обмена на базе интерфейса MIL-STD-1553B подключен к внешней системе управления объектом;
ЭВМ, состоящую из одноплатной ЭВМ и адаптера интерфейса CAN-bus, первый вход-выход одноплатной ЭВМ, являющийся одновременно первым входом-выходом ЭВМ, подключен к адаптеру интерфейса MIL-STD-1553B, выход одноплатной ЭВМ, являющийся одновременно выходом ЭВМ подключен к принтеру, второй вход-выход адаптера интерфейса CAN-bus, являющийся одновременно вторым входом-выходом ЭВМ, образует интерфейсную магистраль CAN-bus; устройство контроля тока и напряжения аккумуляторной батареи, содержащее датчики напряжения и тока, эталонный источник напряжения и блок обработки информации, состоящий из памяти энергонезависимой, часов реального времени, микроконтроллера, адаптера интерфейса CAN-bus, первого и второго устройства сопряжения, при этом вход-выход памяти энергонезависимой и выход часов реального времени блока обработки информации подключены соответственно к первому входу-выходу и первому входу микроконтроллера, первый вход-выход адаптера интерфейса CAN-bus подключен ко второму входу-выходу микроконтроллера, выходы первого и второго устройства сопряжения подключены соответственно ко второму и третьему входам микроконтроллера, выход микроконтроллера, являющийся одновременно выходом блока обработки информации, подключен к устройству сопряжения, второй вход-выход адаптера интерфейса CAN-bus, являющийся одновременно входом-выходом блока обработки информации, образует интерфейсную магистраль CAN-bus, входы первого и второго устройства сопряжения являются одновременно первым и вторым входами блока обработки информации, четвертый вход микроконтроллера является одновременно третьим входом блока обработки информации; аккумуляторную батарею, включающую первый, второй,… и «n»-й аккумулятор, первый, второй, … и «n»-й эталонные источники напряжения, первое, второе, … и «n»-е устройства контроля параметров аккумуляторов, установленные непосредственно на верхнюю часть банки каждого аккумулятора аккумуляторной батареи и состоящие из памяти энергонезависимой, часов реального времени, адаптера интерфейса CAN-bus, микроконтроллера, второго устройства сопряжения и блока питания, причем вход-выход памяти энергонезависимой и выход часов реального времени подключены соответственно к первому входу-выходу и первому входу микроконтроллера, первый вход-выход адаптера интерфейса CAN-bus подключен ко второму входу-выходу микроконтроллера, выход второго устройства сопряжения подключен к третьему входу микроконтроллера, второй вход-выход адаптера интерфейса CAN-bus, являющиеся одновременно входом-выходом первого, второго,… и «n»-го устройства контроля параметров аккумуляторов, образуют интерфейсную магистраль CAN-bus, первый и второй входы второго устройства сопряжения являются одновременно третьим и четвертым входами первого, второго, … и «n»-го устройства контроля параметров аккумуляторов, выход блок питания подключен к входам (обеспечивающим питание) адаптера интерфейса CAN-bus, микроконтроллера и второго устройства сопряжения; первый, второй, … и «n»-й датчик уровня и температуры электролита, помещенные в межэлектродное пространство банок аккумуляторов; ко второму входу-выходу ЭВМ через интерфейсную магистраль CAN-bus подключены входы-выходы блока обработки информации и входы-выходы первого, второго, … и «n»-го устройства контроля параметров аккумуляторов, к первому входу блока обработки информации подключен выход датчика напряжения, ко второму входу - второй информационный выход датчика тока, к третьему - выход эталонного источника напряжения, первый, второй, … и «n»-й аккумуляторы соединены в аккумуляторную батарею последовательно (отрицательный борн первого аккумулятора подсоединен к положительному борну второго и т.д.), положительный борн первого аккумулятора подключен к входу датчика тока, выход датчика тока подключен к первому входу датчика напряжения и положительному полюсу нагрузки и одновременно зарядного устройства аккумуляторной батареи корабельной электроэнергетической системы, отрицательный борн «n»-го аккумулятора подключен к третьему входу датчика напряжения и отрицательному полюсу нагрузки (и одновременно зарядного устройства аккумуляторной батареи) корабельной электроэнергетической системы, ко второму входу датчика напряжения подключен корпус объекта, к третьим входам первого, второго, … и «n»-го устройства контроля параметров аккумуляторов подключены соответственно первый, второй, … и «n»-й эталонные источники напряжения, к четвертым входам -соответственно по паре положительных и отрицательных борнов первого, второго, … и «n»-го аккумуляторов введены блок контроля предельно низкого значения напряжения на борнах аккумуляторов аккумуляторной батареи, блок контроля предельно низкого и предельно высокого значения уровня электролита в банках аккумуляторов аккумуляторной батареи, сенсорный экран, блок организации интеллектуального информационного обмена с блоком обработки информации и с устройствами контроля параметров аккумуляторов и блок ведения электронного паспорта аккумуляторной батареи, подключенные соответственно ко второму, третьему, четвертому, пятому и шестому входу-выходу одноплатной ЭВМ, первый вход-выход адаптера интерфейса CAN-bus (из состава ЭВМ) подключен ко второму входу-выходу блока организации интеллектуального информационного обмена с блоком обработки информации и с устройствами контроля параметров аккумуляторов; в состав первого, второго, … и «n»-го устройства контроля параметров аккумуляторов введено первое устройство сопряжения, выход первого устройства сопряжения подключен ко второму входу микроконтроллера, первый и второй входы первого устройства сопряжения являются одновременно первым и вторым входами первого, второго, … и «n»-го устройства контроля параметров аккумуляторов, второй вход второго устройства сопряжения первого, второго, … и «n»-го устройства контроля параметров аккумуляторов объединен с входом блока питания, выход которого подключен к входу (обеспечивающему питание) первого устройства сопряжения, к первым и вторым входам первого, второго, … и «n»-го устройства контроля параметров аккумуляторов подключены соответственно первые и вторые выходы первого, второго, … и «n»-го датчика уровня и температуры электролита.
Кроме этого в автоматизированной системе контроля и диагностики аккумуляторных батарей корабельного базирования микроконтроллер первого, второго, … и «n»-го устройства контроля параметров аккумулятора выполнен с возможностью определения значения ЭДС первого, второго, … и «n»-го аккумуляторов по команде от ЭВМ с помощью устройства сопряжения первого, второго, … и «n»-го устройства контроля параметров аккумулятора, осуществляющего измерение значения напряжения на борнах первого, второго, и «n»-го аккумулятора в момент отключения аккумуляторной батареи от нагрузки (и одновременно от зарядного устройства аккумуляторной батареи) корабельной электроэнергетической системы, а шина информационного обмена и соединенный с ней адаптер интерфейса выполнены на базе одного из интерфейсов: RS-232, RS-485, CAN-bus 2.0 и Ethernet.
Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемой автоматизированной системе реализованы такие функциональные возможности, которые обеспечивают повышенную достоверность результатов контроля работоспособности и диагностики неисправностей за счет охвата комплексной проверкой всех банок аккумуляторной батареи: по напряжению и по ЭДС на каждой банке, по уровню и температуре электролита в каждой банке, а также по напряжению аккумуляторной батареи в целом, по току нагрузки и току заряда аккумуляторной батареи. Кроме этого системой осуществляется контроль в реальном масштабе времени с оперативным оповещением эксплуатационного персонала о фактах предельного понижения в процессе разряда напряжения на борнах аккумуляторов и предельно низкого или предельно высокого уровня электролита в банках аккумулятора, а также реализовано ведение электронного паспорта аккумуляторной батареи в течение всего срока ее службы. Причем обеспечение контроля функционирования предлагаемой автоматизированной системы производится с минимальным «вмешательством» в конструкцию аккумуляторной батареи, так как в межэлектродное пространство банок аккумуляторов устанавливается только по одному датчику уровня и температуры электролита, что наряду с повышением достоверности результатов контроля работоспособности и диагностики неисправностей обеспечивает повышение надежности работы аккумуляторной батареи корабельного базирования в целом.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами.
На фиг.1 представлена функционально-структурная схема автоматизированной системы контроля и диагностики аккумуляторных батарей корабельного базирования.
На фиг.2 представлена функционально-структурная схема ЭВМ.
На фиг.3 представлена функционально-структурная схема блока обработки информации.
На фиг.4 представлена функционально-структурная схема устройства контроля параметров аккумуляторов.
Согласно фиг.1 автоматизированная система контроля и диагностики аккумуляторных батарей корабельного базирования содержит сигнальное устройство 1, внешнюю систему управления объектом 2, шину информационного обмена на базе интерфейса MIL-STD-1553B 3, устройство сопряжения 4, адаптер интерфейса MIL-STD-1553В 5, ЭВМ 6, принтер 7, устройство контроля тока и напряжения аккумуляторной батареи 8, блок обработки информации 9, интерфейсную магистраль CAN-bus 10, датчик напряжения 11, эталонный источник напряжения 12, аккумуляторную батарею 13, первое 14, второе 15, … и «n»-е 16 устройство контроля параметров аккумуляторов, датчик тока 17, первый 18, второй 19, … и «n»-й 20 эталонные источники напряжения, первый 21, второй 22, … и «n»-й 23 аккумулятор, первый 24, второй 25, … и «n»-й 26 датчик уровня и температуры электролита.
Выход устройства сопряжения 4 подключен к входу сигнального устройства 1, адаптер интерфейса MIL-STD-1553B 5 через шину информационного обмена на базе интерфейса MIL-STD-1553B 3 подключен к внешней системе управления объектом 2.
Первый вход-выход ЭВМ 6 подключен к адаптеру интерфейса MIL-STD-1553B 5, выход ЭВМ 6 подключен к принтеру 7, второй вход-выход ЭВМ 6 образует интерфейсную магистраль CAN-bus 10.
Устройство контроля тока и напряжения аккумуляторной батареи 8 содержит датчики напряжения 11 и тока 17, эталонный источник напряжения 12 и блок обработки информации 9. Выход блока обработки информации 9 подключен к устройству сопряжения 4, вход-выход блока обработки информации 9 образует интерфейсную магистраль CAN-bus 10.
Аккумуляторная батарея 13 включает первый 21, второй 22, … и «n»-й 23 аккумулятор, первый 18, второй 19, … и «n»-й 20 эталонные источники напряжения, первое 14, второе 15, … и «n»-е 16 устройства контроля параметров аккумуляторов, первый 24, второй 25, … и «n»-й 26 датчик уровня и температуры электролита.
Входы-выходы первого 14, второго 15, … и «n»-го 16 устройства контроля параметров аккумуляторов образуют интерфейсную магистраль CAN-bus 10.
Ко второму входу-выходу ЭВМ 6 через интерфейсную магистраль CAN-bus 10 подключены входы-выходы блока обработки информации 9 и входы-выходы первого 14, второго 15, … и «n»-го 16 устройства контроля параметров аккумуляторов, к первому входу блока обработки информации 9 подключен выход датчика напряжения 11, ко второму входу - второй информационный выход датчика тока 17, к третьему - выход эталонного источника напряжения 12, первый 21, второй 22, … и «n»-й 23 аккумуляторы соединены в аккумуляторную батарею 13 последовательно (отрицательный борн первого 21 аккумулятора подсоединен к положительному борну второго 22 и т.д.), положительный борн первого аккумулятора 21 подключен к входу датчика тока 17, выход датчика тока 17 подключен к первому входу датчика напряжения 11 и положительному полюсу нагрузки и одновременно зарядного устройства аккумуляторной батареи корабельной электроэнергетической системы, отрицательный борн «n»-го аккумулятора 23 подключен к третьему входу датчика напряжения 11 и отрицательному полюсу нагрузки (и одновременно зарядного устройства аккумуляторной батареи) корабельной электроэнергетической системы, ко второму входу датчика напряжения 11 подключен корпус объекта, к первым и вторым входам первого 14, второго 15, … и «n»-го 16 устройства контроля параметров аккумуляторов подключены соответственно первые и вторые выходы первого 24, второго 25, … и «n»-го 26 датчика уровня и температуры электролита, к третьим входам - соответственно первый 18, второй 19, … и «n»-й 20 эталонные источники напряжения, к четвертым входам - соответственно по паре положительных и отрицательных борнов первого 21, второго 22, … и «n»-го 23 аккумуляторов.
Согласно фиг.2 ЭВМ 6 (фиг.1) состоит из одноплатной ЭВМ 27, адаптера интерфейса CAN-bus 33, а также блока контроля предельно низкого значения напряжения на борнах аккумуляторов аккумуляторной батареи 28, блока контроля предельно низкого и предельно высокого значения уровня электролита в банках аккумуляторов аккумуляторной батареи 29, сенсорного экрана 30, блока организации интеллектуального информационного обмена с блоком обработки информации и с устройствами контроля параметров аккумуляторов 31 и блока ведения электронного паспорта аккумуляторной батареи 32, подключенных соответственно ко второму, третьему, четвертому, пятому и шестому входу-выходу одноплатной ЭВМ 27. Первый вход-выход адаптера интерфейса CAN-bus 33 подключен ко второму входу-выходу блока организации интеллектуального информационного обмена с блоком обработки информации и с устройствами контроля параметров аккумуляторов 31.
Согласно фиг.3 блок обработки информации 9 (фиг.1) состоит из памяти энергонезависимой 34, часов реального времени 35, микроконтроллера 36, адаптера интерфейса CAN-bus 37, первого 38 и второго 39 устройства сопряжения. Причем вход-выход памяти энергонезависимой 34 и выход часов реального времени 35 блока обработки информации 9 подключены соответственно к первому входу-выходу и первому входу микроконтроллера 36, первый вход-выход адаптера интерфейса CAN-bus 37 подключен ко второму входу-выходу микроконтроллера 36, выходы первого 38 и второго 39 устройства сопряжения подключены соответственно ко второму и третьему входам микроконтроллера 36.
Согласно фиг.4 устройство контроля параметров аккумуляторов 14, 15 и 16 (фиг.1) состоит из памяти энергонезависимой 40, часов реального времени 41, адаптера интерфейса CAN-bus 42, микроконтроллера 43, первого 44 и второго 45 устройства сопряжения и блока питания 46. Причем вход-выход памяти энергонезависимой 40 и выход часов реального времени 41 подключены соответственно к первому входу-выходу и первому входу микроконтроллера 43, первый вход-выход адаптера интерфейса CAN-bus 42 подключен ко второму входу-выходу микроконтроллера 43, выходы первого 44 и второго 45 устройства сопряжения подключены соответственно ко второму и третьему входам микроконтроллера 43. Блок питания 46 обеспечивает питание адаптера интерфейса CAN-bus 42, микроконтроллера 43, первого 44 и второго 45 устройства сопряжения.
Автоматизированная система работает следующим образом.
1. Устройства контроля параметров аккумуляторов 14-16 установлены непосредственно на верхнюю часть банки каждого аккумулятора 21-23, подключены к положительным и отрицательным борнам аккумуляторов 21-23 и постоянно находятся в работе. Устройства контроля параметров аккумуляторов 14-16 являются аппаратно-программными средствами самого нижнего (третьего) уровня автоматизированной системы контроля и диагностики аккумуляторных батарей с программами, установленными в памяти энергонезависимой 40 и после подачи питания загружаемыми в оперативную память микроконтроллера 43.
Устройства контроля параметров аккумуляторов 14-16 обеспечивают выполнение следующих функций:
- периодический опрос датчиков уровня и температуры электролита 24-26 (в датчиках 24-26 конструктивно объединены два измерительных элемента, каждый из которых имеет свой выход, в частности элемент, контролирующий температуру, формирует информацию о значении температуры электролита на первом выходе датчиков уровня и температуры электролита 24-26, а элемент, контролирующий уровень электролита - на втором выходе), помещенных в межэлектродное пространство банок аккумуляторов 21-23;
- периодический контроль значений напряжения на клеммах аккумуляторов 21-23;
- при отключении аккумуляторной батареи 13 от нагрузки (или от зарядного устройства) контроль (по команде от внешней системы управления 2) значений ЭДС аккумуляторов 21-23;
- периодическое тестирование каналов измерения напряжения и ЭДС от эталонных источников напряжения 18-20;
- расчет плотности электролита в каждой банке аккумулятора 21-23;
- перерасчет плотности электролита на номинальный уровень и температуру электролита для каждой банки аккумулятора 21-23;
- первичная обработка контрольной информации для среднего (второго) и верхнего (первого) уровня автоматизированной системы контроля и диагностики аккумуляторных батарей;
- передача контрольной информации на средний (второй) и верхний (первый) уровень по интерфейсной магистрали CAN-bus 10.
Расчет плотности электролита (являющегося важным дополнительным параметром текущего состояния аккумулятора) в теории электрохимии выполняется по известному значению ЭДС аккумулятора по классической эмпирической формуле (см. Коровин Н.В. Электрохимическая энергетика, М.: Энергоиздат, 1991):
начальная плотность=(ЭДС-0,84)×температурный коэффициент.
В предлагаемой системе для уменьшения погрешности вычисления значения текущей плотности при расчете плотности электролита в каждой банке аккумулятора 21-23, выполняемом в микроконтроллере 43 устройства контроля параметров аккумуляторов 14-16, производится корректировочная поправка по уровню и температуре электролита. Кроме этого в ЭВМ 6 при уточнении значений плотности электролита по данным, полученным от устройства контроля параметров аккумуляторов 14-16, используется также поправка, учитывающая уникальные характеристики каждого конкретного аккумулятора в виде аппроксимирующей зависимости ареометрической плотности электролита от текущей емкости аккумулятора, которая предварительно получена эксплуатационным персоналом при проведении регламентных работ по техническому обслуживанию аккумуляторной батареи 13 и зафиксирована в блоке ведения электронного паспорта аккумуляторной батареи 32 ЭВМ 6.
Значение ЭДС аккумулятора определяется путем измерения значения напряжения на штатных борнах аккумуляторов 21-23 при разомкнутой цепи. Данный режим при эксплуатации аккумуляторной батареи 13 на отдельных объектах зачастую является недопустимым. Однако, если размыкание цепи аккумуляторной батареи 13 (отключении от нагрузки или от зарядного устройства) электроэнергетической системой объекта все же произведено, ЭВМ 6, получившая информацию из внешней системы управления объектом 2 о вынужденном отключении аккумуляторной батареи 13, выдает, в свою очередь, команду микроконтроллеру 43 устройств контроля параметров аккумулятора 14-16 на выполнение измерения значения напряжения (эквивалентного в данном случае значению ЭДС) на борнах аккумуляторов 14 с помощью устройства сопряжения 45. Отметим, что на объектах, имеющих по две (основная и резервная) аккумуляторные батареи, размыкание цепи одной из аккумуляторных батарей для определения значения ЭДС аккумулятора с целью последующего расчета такого важного параметра аккумуляторов, как плотность электролита, является уже вполне возможным, что значительно повышает эффективность и достоверность результатов работы в целом предлагаемой системы.
2. Блок обработки информации 9 является аппаратно-программным средством среднего (второго) уровня автоматизированной системы контроля и диагностики аккумуляторных батарей с программами, установленными в памяти энергонезависимой 34. После включения электропитания происходит загрузка программ в оперативную память микроконтроллера 36 блока обработки информации 9.
Блок обработки информации 9 обеспечивает выполнение следующих функций:
- опрос датчика напряжения 11;
- расчет сопротивления изоляции аккумуляторной батареи 13;
- опрос датчика тока 17;
- периодическое тестирование каналов измерения напряжения от эталонного источника напряжения 12;
- определение, в каком из трех режимов находится аккумуляторная батарея 13:
разряд, заряд или контроль ЭДС (контроль значения напряжения в разомкнутой цепи);
- расчет зарядной емкости аккумуляторной батареи 13;
- расчет разрядной емкости аккумуляторной батареи 13;
- прогноз остаточной емкости и времени до окончания разряда аккумуляторной батареи 13;
- прогноз остаточного ресурса и срока службы аккумуляторной батареи 13;
- первичная обработка контрольной информации для нижнего (третьего) и верхнего (первого) уровня автоматизированной системы контроля и диагностики аккумуляторных батарей;
- передача обработанной контрольной информации на нижний (третий) уровень в устройства контроля параметров аккумуляторов 14-16 и на верхний (первый) уровень в ЭВМ 6 по интерфейсной магистрали CAN-bus 10;
- формирование сигнала эксплуатационному персоналу объекта об аварийных ситуациях, происходящих с аккумуляторной батареей 13 через устройство сопряжения 4 с помощью сигнального устройства 1.
3. ЭВМ 6 является аппаратно-программным средством верхнего (первого) уровня автоматизированной системы контроля и диагностики аккумуляторных батарей с программами, установленными в одноплатной ЭВМ 27. После включения электропитания ЭВМ 6 происходит инициализация одноплатной ЭВМ 27 в ЭВМ 6.
ЭВМ 6 обеспечивает выполнение следующих функций:
- калибровка каналов измерения напряжения в устройствах контроля параметров аккумуляторов 14-16 (калибровка измерительных аналого-цифровых преобразователей, встроенных в микроконтроллер 43 устройств контроля параметров аккумуляторов 14-16) на основе оценки значений заранее известных значений напряжения от эталонных источников напряжения 18-20;
- калибровка каналов измерения напряжения в блоке обработки информации 9 (калибровка измерительных аналого-цифровых преобразователей, встроенных в микроконтроллер 36 блока обработки информации 9) на основе оценки заранее известного значения напряжения от эталонного источника напряжения 12;
- формирование с помощью блока контроля 28 сигналов о достижении предельно низкого значения напряжения на борнах аккумуляторов 14-16 аккумуляторной батареи 13;
- формирование с помощью блока контроля 29 сигналов о достижении предельно низкого и предельно высокого значения уровня электролита в банках аккумуляторов 14-16 аккумуляторной батареи 13;
- формирование интерактивного информационно-управляющего интерфейса оператора (ввод исходных данных, ввод команд и запросов, вывод знако-символьной и графической информации, вывод предупредительных и аварийных сообщений о техническом состоянии аккумуляторной батареи 13 и т.д.), реализуемого на базе широких возможностей сенсорного экрана 30;
- организацию с помощью блока 31 так называемого интеллектуального информационного обмена с блоком обработки информации 9 и с устройствами контроля параметров аккумуляторов 14-16;
- планирование мероприятий по техническому обслуживанию аккумуляторной батареи 13;
- выдача в наглядном (графическом, знако-символьном) и текстовом виде рекомендаций оператору по оптимальному использованию аккумуляторной батареи 13 на сенсорный экран 30;
- ведение с помощью блока 32 электронного паспорта, фиксирующего в реальном масштабе времени весь комплекс технических параметров для каждого из аккумуляторов 14-16, а также накопление статистических данных по аккумуляторной батарее 13 в целом за весь период срока ее службы (количество зарядов и разрядов, сумма наработки в условно полных циклах, остаточная емкость аккумуляторной батареи 13, сведения о выявленных неисправностях в аккумуляторной батарее 13 и непосредственно в составных частях автоматизированной системы контроля и диагностики аккумуляторных батарей, количество электричества, полученное аккумуляторной батареей 13 за заряд или полученной нагрузкой от аккумуляторной батареи 13 за разряд, и т.д.);
- формирование и распечатка необходимых протоколов и наглядных графических материалов (графики, гистограммы, картограммы и т.д.) с помощью принтера 7;
- передача контрольной информации во внешнюю систему управления объектом 2 по шине информационного обмена на базе интерфейса MIL-STD-1553B 3.
Суть интеллектуального информационного обмена, реализованного в блоке 31 ЭВМ 6, с блоком обработки информации 9 и с устройствами контроля параметров аккумуляторов 14-16 заключается в следующем. Блок организации интеллектуального информационного обмена 31 посылает запрос (например, запрос текущих значений напряжения на борнах аккумуляторов 23-23) одновременно всем абонентам интерфейсной магистрали CAN-bus 10. Каждый абонент в данном случае устройства контроля параметров аккумуляторов 14-16 независимо друг от друга выполняет измерение запрошенного параметра и передачу полученного значения по интерфейсной магистрали CAN-bus 10. В случае отсутствия за определенный период времени ответа от какого-либо из абонентов блок 31 повторяет запрос еще два раза, а после третьей неудачной попытки информационного взаимодействия фиксирует отказ этого абонента и формирует для эксплуатационного персонала сигнал о необходимости принятия мер по возобновлению его работы. В результате экспериментальных проверок установлено, что данный алгоритм позволяет значительно повысить быстродействие информационного взаимодействия абонентов по интерфейсной магистрали CAN-bus 10.
Таким образом, при работе автоматизированной системы контроля и диагностики аккумуляторных батарей корабельного базирования автоматически выполняются все вышеперечисленные функции для устройств контроля параметров аккумуляторов 14-16, блока обработки информации 9 и ЭВМ 6. При наступлении событий, требующих вмешательства человека (предаварийная или аварийная ситуация), автоматизированная система с помощью визуальных сообщений, выводимых на сенсорный экран 30 ЭВМ 6, и акустических сигналов, генерируемых сигнальным устройством 1, привлекает внимание эксплуатационного персонала объекта. Причем для повышения эффективности преодоления (оперативные и безошибочные действия, как правило, в условиях отсутствия ресурсов времени) возникших предаварийных и аварийных ситуаций система осуществляет эффективную информационную поддержку действий эксплуатационного персонала объекта, используя в полной мере широкие возможности интерактивного информационно-управляющего интерфейса на базе сенсорного экрана 30 ЭВМ 6.
Предлагаемая система обеспечивает эффективный мониторинг в реальном масштабе времени текущего технического состояния аккумуляторной батареи и ведение так называемого электронного паспорта аккумуляторной батареи (с систематизированными данными по наиболее важным параметрам батареи в течение всего срока ее службы) и, как следствие, позволяет достичь как высокого уровня информационной поддержки экипажа дизель-электрической подводной лодки в части эксплуатации ключевого компонента электроэнергетической системы - корабельной аккумуляторной батареи, так и значительного повышения надежности работы аккумуляторной батареи корабельного базирования в целом.
Промышленная применимость изобретения определяется тем, что предлагаемая система может быть изготовлена в соответствии с приведенным описанием и графическими материалами на базе известных комплектующих изделий и технологического оборудования.
Предлагаемые технические решения практически реализованы в опытно-поставочных образцах системы контроля параметров аккумуляторов и диагностирования аккумуляторных батарей (СКД АБ), выпускаемых ЗАО (ИРИС) для дизель-электрических подводных лодок проектов 636 и 677.
На основании вышеизложенного и по результатам проведенного патентно-информационного поиска авторы считают, что предлагаемая автоматизированная система контроля и диагностики аккумуляторных батарей корабельного базирования отвечает критериям «Новизна», «Изобретательский уровень» и «Промышленная применимость» и может быть защищена патентом РФ на изобретение.