БЛОК ЦЕНТРАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЛОКОМОТИВОМ

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, в частности к многофункциональным устройствам управления, диагностики и обеспечения безопасности работы железнодорожных тяговых средств, таких как магистральные и маневровые локомотивы, электровозы, газотурбовозы и т.д.
Из уровня техники известно устройство обработки информации (УОИ) [ж. Современные технологии автоматизации, тираж 15000 экз., 2004, №3, с. 46..52].
Конструктивно УОИ представляет собой блочно-модульную конструкцию, содержащую металлический шкаф (стойку) с двумя дверцами. Внутри стойки в трех крейтах установлены блоки. Блоки могут перемещаться по направляющим и вставляются в разъемы, укрепленные на задней части крейтов.
УОИ включает в себя: блок центрального компьютера с вспомогательными блоками и панелями: панелью портов, блоком каналов связи, блоком контроля источников питания, блок дисковода, блок интерфейса внутренней магистрали; блоки питания системы, блоки питания датчиков; блок питания вентиляторов охлаждения, блоки ввода-вывода: блоки управления силовыми ключами, блок обработки дискретных данных, блок обработки аналоговых данных, блок обработки частотных данных, блоки управления выпрямителями, блоки коммутации дискретных данных; платы ввода-вывода: плата выходная силовых ключей, плата входная дискретных данных, плата входная аналоговых данных, плата входная частотных данных, плата выходная блоков управления выпрямителями, указанные платы обеспечивают прием и обработку дискретных и аналоговых сигналов, частотных каналов, управление выпрямителями и каналами силовых ключей.
Электрические сигналы от датчиков локомотива поступают через входные разъемы на входные платы УОИ, где происходит преобразование их уровня и по внутренним проводам УОИ передаются в соответствующие блоки УОИ, где они преобразуются в цифровой вид и далее оцифрованные сигналы по внутренней цифровой магистрали, представляющей собой параллельную шину адреса-данных, состоящую из тридцатипроводниковой гальванически развязанной линии, поступают в блок компьютера, где происходит обработка полученной информации и выдача управляющих сигналов на платы вывода с последующей передачей на исполнительные устройства локомотива.
3
Недостатками УОИ являются его функциональная законченность, без возможности расширения функциональных возможностей, а также значительные габариты, объем более 0,29 м и эксплуатационная масса, которая превышает 140 кг, определенные наличием множественного числа проводников от входных плат УОИ к блокам ввода-вывода и внутренней параллельной гальванически развязанной шиной адреса-данных с дополнительным оборудованием в виде проводов, микросхем и иной аппаратуры для обеспечения ее работоспособности. Большие габариты затрудняют и даже не позволяют использовать УОИ в локомотивах с низким капотом в связи с большим объемом размещаемого оборудования. Большая масса УОИ затрудняет его замену целиком в эксплуатации, что увеличивает время простоя локомотивов в ремонте.
Цель создания полезной модели блок центрального управления (БЦУ) - наращивание функциональных возможностей управления локомотивом, обеспечение возможности размещения полезной модели во всех типах кузовов локомотивов и снижение финансовых и временных затрат, связанных с постановкой локомотива в ремонт.
Технический результат заключается в обеспечении возможности изменения конфигурации блока центрального управления локомотивом за счет возможности комбинации модулей и плат в зависимости от требующегося объема автоматизации конкретного типа локомотива, в возможности подключения внешних устройств (модулей), а также в снижении массогабаритных показателей по сравнению с известным устройством УОИ, с обеспечением охлаждения электронных компонентов блока центрального управления локомотивом при работе в уменьшенных габаритах.
Наращивание функциональных возможностей управления локомотивом заключается в обеспечении возможности изменения конфигурации БЦУ за счет возможности комбинации модулей и плат в зависимости от требующегося объема автоматизации конкретного типа локомотива, а также в возможности подключения внешних устройств, причем количество внешних устройств не ограничено и определяется проектным объемом автоматизации локомотива.
Обеспечение возможности изменения конфигурации БЦУ за счет возможности комбинации модулей и плат конструктивно достигается за счет того, что в БЦУ применен модульный принцип компоновки, где каждый модуль размещается в ячейке крейта, при этом модули могут устанавливаться в произвольные ячейки крейта шкафа управления, за исключением модуля питания и контроля питания М-П-КП и модуля центрального процессора М-ЦП, имеющих конструктивно определенное постоянное место (ячейку), например в БЦУ они размещены в крайних ячейках по обе стороны крейта. Конструкция каждого модуля рассчитана на две платы, но предусматривает возможность размещения в модуле как одной, так и двух плат, причем платы могут иметь раздельную функциональную принадлежность в зависимости от вида и назначения платы (платы ввода или платы вывода), исключение составляют одноплатный модуль М-П-КП и одноплатный модуль М-ЦП. Независимо от количества плат, каждый модуль имеет лицевую панель, на которую выведены разъемы для подключения плат к датчикам и исполнительным устройствам локомотива посредством каналов силовых ключей СК, каналов дискретных ДВ и частотных ЧВ входов, каналов аналоговых датчиков АД, каналов управления выпрямителями УВ или других каналов аналогового приема-передачи данных, а связь между платами БЦУ и модулем центрального процессора М-ЦП осуществляется посредством приемопередатчиков цифрового интерфейса, установленных на каждой плате, с подключением на кросс-плату, конструкционно объединяющую платы всех модулей. На лицевой панели модуля центрального процессора БЦУ размещены разъемы, обеспечивающие возможность подключения к БЦУ дополнительных внешних устройств по каналам передачи данных, к примеру, Ethernet, RS-485/ RS-422, CAN, токовая петля и других каналов цифрового приема-передачи данных, при этом связь между внешними устройствами может осуществляться при помощи кабельных соединений в их параллельном или последовательном подключении. На стадии проектирования локомотива, вид и состав каналов внешних интерфейсов, количество модулей, а также вид и количество плат в модулях БЦУ может варьироваться и определяется в зависимости от требующегося объема автоматизации конкретного типа локомотива и используемого оборудования.
Обеспечение возможности размещения полезной модели во всех типах кузовов локомотивов достигается за счет снижения массогабаритных показателей БЦУ.
Снижение массогабаритных показателей достигнуто путем сокращения электромонтажа за счет выполнения соответствующими платами БЦУ функций ввода и вывода, что позволило отказаться от введения в конструкцию БЦУ отдельных блоков и плат ввода-вывода, как это было в конструкции УОИ, и исключить соединительные провода и разъемы, которые обеспечивали связь между ними, при этом, для целей упрощения внутреннего электромонтажа, вместо гальванически развязанной параллельной шины адреса-данных, в конструкции БЦУ применен последовательный канал связи, обеспечивающий связь между модулем центрального процессора и платами БЦУ, что повлекло исключение множественного числа проводников от входных плат к блокам ввода-вывода и дополнительного оборудования в виде проводов, микросхем и иной аппаратуры, как это было в конструкции УОИ, а подключение плат БЦУ к датчикам и исполнительным устройствам локомотива осуществлено через присоединительные разъемы, выведенные на лицевую панель каждого модуля, при этом, разъемы плат ввода и вывода на лицевых панелях модулей, механически прикреплены одновременно к лицевой панели и к плате, а электрическое присоединение осуществляется непосредственно в плату, исключая проводной электромонтаж, кроме того преобразователи напряжения, обеспечивающие электропитание БЦУ от бортовой сети локомотива, размещены на нижней поверхности радиатора, имеющего вид плиты, выполняющей функцию верхнего закрытия шкафа БЦУ и одновременно являющейся частью системы отвода тепла, причем такое размещение позволило сократить объем, занимаемый преобразователями напряжения в составе БЦУ, а также обеспечить эффективный отвод тепла от преобразователей напряжения, как от электрорадиоэлементов с максимальным тепловыделением. Все перечисленное позволило уменьшить массогабаритные показатели БЦУ по сравнению с УОИ.
В процессе эксплуатации вся электрорадиоэлементная база БЦУ выделяет тепло, при этом, выделяемая тепловая энергия распределяется в меньшем габаритном объеме, по сравнению с УОИ, соответственно, для предотвращения негативных последствий перегрева и обеспечения охлаждения работающих электронных компонентов полезной модели в уменьшенных габаритах, в конструкции БЦУ применена система отвода тепла и внутренней циркуляционной вентиляции.
Система отвода тепла и внутренней циркуляционной вентиляции представлена комплексом, состоящим из радиатора и вентиляторов, в количестве, равном количеству ячеек для модулей, расположенными непосредственно над каждой ячейкой и закрепленными на панели вентиляторов, установленной в верхней части крейта. Радиатор БЦУ выполнен в виде горизонтально расположенной плиты, выполняющей функцию верхнего закрытия шкафа БЦУ, причем плита выполнена из материала с высокой степенью теплопроводности, а конструкция плиты обеспечивает интенсификацию процесса передачи тепла в окружающую среду за счет увеличения площади поверхности теплоотдачи, например за счет оребрения.
Тепло от преобразователей напряжения, как от наиболее нагревающихся элементов, передается в окружающую среду через радиатор, а охлаждение нагревающихся электрорадиоэлементов, расположенных на платах и модулях, осуществляется вентиляторами, направляющими поток воздуха во внутреннюю часть модуля с целью переноса тепла к стенкам шкафа, а через них - также в окружающую среду, причем модули БЦУ спроектированы таким образом, что платы модулей и лицевая панель образуют воздушный канал для прохода охлаждающего воздуха от вентиляторов. Воздушный поток отбирает тепло от элементов плат модулей с высокой температурой и переносит к стенкам шкафа БЦУ имеющим меньшую температуру. Тепло через стенки корпуса передается в окружающую среду. При работе БЦУ в зоне отрицательных температур для сохранения работоспособности включаются нагревательные элементы, закрепленные на нижней стенке шкафа БЦУ.
Конструктивно БЦУ выполнен в модульном исполнении и представляет собой металлический сварной пылевлагозащищенный шкаф 1 (фиг. 1) с одной дверцей 2 (фиг. 1) и одним крейтом 3 (фиг. 1), внутри которого размещено восемь ячеек 4 (фиг. 1) для модулей 5 (фиг. 1), каждый из которых может состоять из одной или двух плат 6 (фиг. 2, фиг. 3), объединенных лицевой панелью 7 (фиг. 3), с возможностью ее демонтирования при помощи резьбовых соединений 8 (фиг. 4), а на лицевую панель каждого модуля выведены внешние присоединительные разъемы 9 (фиг. 3), для подключения к датчикам и исполнительным устройствам локомотива, и с задней стороны каждого модуля - один или два разъема 10 (фиг. 3) для подключения к кросс-плате 11 (фиг. 1), при этом, разъемы плат ввода и вывода на лицевых панелях модулей, механически прикреплены при помощи резьбовых соединений 12 (фиг. 4) одновременно к лицевой панели и к плате, а электрическое присоединение 13 (фиг. 4) осуществляется непосредственно в плату; подключение к БЦУ внешних устройств производится через специальные разъемы 14 (фиг. 2) на лицевой панели модуля центрального процессора М-ЦП 15 (фиг. 1, фиг. 2); электропитание БЦУ от бортовой сети локомотива обеспечивается путем подачи напряжения на разъем модуля М-П-КП 16 (фиг. 1), после - на преобразователи напряжения 17 (фиг. 1), расположенные на нижней части радиатора 18 (фиг. 1) и далее, в преобразованном виде, на платы модулей БЦУ; отведение тепла от нагревающихся электрорадиоэлементов, расположенных на платах и модулях, осуществляется при помощи вентиляторов 19 (фиг. 1), установленных на панели вентиляторов 20 (фиг. 1) в верхней части крейта, а в нижней части шкафа расположены нагревательные элементы, например резисторы 21 (фиг. 1).
Сущность полезной модели поясняется чертежами и схемами.
Общий вид БЦУ - фиг. 1.
Модуль центрального процессора - фиг. 2.
Модуль с платами ввода - вывода - фиг. 3.
Подключение разъемов ввода - вывода - фиг. 4.
Схема циркуляционной вентиляции - фиг. 5.
Полезная модель работает следующим образом:
Электрические сигналы от датчиков локомотива поступают через входные разъемы, установленные на лицевых панелях модулей, в платы ввода ДВ, ЧВ, АД, где происходит преобразование и обработка полученных электрических сигналов датчиков локомотива в цифровой вид и далее оцифрованные сигналы по внутреннему последовательному каналу связи поступают в модуль центрального процессора, где происходит обработка полученной информации и выдача управляющих сигналов, которые передаются по внутреннему последовательному каналу связи в выходные платы вывода СК, УВ и далее через разъемы, установленные на лицевых панелях модулей, на исполнительные устройства локомотива (реле, контакторы, переключатели, пневмовентили, управляемые выпрямители и т.д.) и на внешние устройства (если установлены). Для обеспечения стабильного температурного режима функционирования БЦУ во всем рабочем диапазоне температур окружающей среды от минус 50°С до плюс 60°С полезная модель оборудована нагревательными элементами и вентиляторами циркуляционного охлаждения. Внутри шкафа БЦУ поддерживается температура, оговоренная технической документацией на компоненты БЦУ. Электрорадиоэлементы, выполняющие функцию регулирования температуры внутри БЦУ, расположены на плате модуля питания и контроля питания М-П-КП. Входное напряжение питания БЦУ из сети локомотива подается на внешний разъем модуля М-П-КП. При достижении значений температуры параметрам, заданным технической документацией на компоненты БЦУ, входное напряжение передается на преобразователи напряжения, где с их помощью преобразуется в комплекс гальванически развязанных напряжений для питания модулей и плат БЦУ, при этом весь комплекс сформированных напряжений передается на каждую из ячеек для применяемых модулей через внутренние разъемы БЦУ. При температурах окружающей среды ниже заданных технической документацией, сигнал с платы модуля М-П-КП передается на нагревательные элементы и включается подогрев.
Малые габаритные размеры БЦУ позволяют устанавливать его на различные типы локомотивов, кроме того, монтаж и демонтаж как БЦУ в целом, так и его отдельных частей и устройств, не требует работ подъемно-транспортных механизмов и может быть осуществлен силами одного человека, что, соответственно, сокращает финансовые затраты и время простоя локомотива в ремонте.