КОНТРОЛЛЕР МАШИНИСТА

Полезная модель относится к области управления транспортными средствами, в частности, к устройствам управления железнодорожным подвижным составом (тепловозом, электровозом, локомотивом) и может быть использована для преобразования действий машиниста в электрические сигналы управления и коммутации цепей подвижного состава.
Контроллер машиниста - это коммутационное устройство, служащее для управления работой тяговых электродвигателей или дизеля в тяговом и тормозном режимах подвижного состава путем изменения положения рукояток.
Известен блок задатчика позиций бесконтактного контроллера машиниста (Патент РФ №85743, H01H 19/60, опубл. 10.08.2009), содержащий главную и реверсивную рукоятки, блоки датчиков позиций главной и реверсивной рукояток, блок датчиков позиций главной рукоятки содержит N датчиков Холла, где N - число позиций главной рукоятки, блок датчиков позиций реверсивной рукоятки, также установленный на корпусе, содержит два датчика Холла, а на валу механизма фиксации позиций главной рукоятки закреплен второй поводок с магнитом.
Недостатки: надежность устройства снижена, т.к. отсутствует аналоговый выходной сигнал, позволяющий плавно регулировать тягу и торможение подвижного состава, отсутствует дублирование при формировании управляющих сигналов и коммутации цепей управления.
Известен также блок задатчика позиций бесконтактного контроллера машиниста (Патент РФ №118116, Н01Н 19/60, опубл. 10.07.2012), содержащий главную и реверсивную рукоятки, в качестве датчика используется энкодер, состоящий из магнита и микросхемы, коммутация цепей управления осуществляется бесконтактными ключами.
Недостатки: надежность устройства снижена, т.к. отсутствует аналоговый выходной сигнал, позволяющий плавно регулировать тягу и торможение подвижного состава, отсутствует дублирование при формировании управляющих сигналов и коммутации цепей управления.
Известен также контроллер машиниста для управления мотор-вагонным подвижным составом (Патент РФ №101578, Н01Н 19/60, опубл. 20.01.2011), содержащий главную рукоятку, реверсивную рукоятку, блок датчиков позиций рукояток подключен к микроконтроллеру, формирователь выходного сигнала положения рукояток для передачи в линию связи, коммутация цепей управления осуществляется бесконтактными ключами.
Недостатки: надежность контроллера машиниста снижена, т.к. отсутствует аналоговый выходной сигнал, позволяющий плавно регулировать тягу и торможение подвижного состава, отсутствует дублирование при формировании управляющих сигналов и коммутации цепей управления.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому техническому решению является задатчик команд управления (Патент РФ №2644143, G06G 5/00, Н01Н 19/00, опубл. 07.02.2018), содержащий главную рукоятку, средства для преобразования угла поворота главной рукоятки в цифровой код, позволяющий определять фиксированные и нефиксированные положения рукоятки, средства для формирования и передачи сформированных сигналов управления в стандартный интерфейс связи, программно-аппаратный модуль с энергонезависимой памятью для калибровки устройства и хранения калибровочной таблицы, связанный со средствами для преобразования угла поворота рукоятки в цифровой код и со средствами для формирования и передачи сформированных команд управления в интерфейс связи и позволяющий производить первичную калибровку без применения дополнительного оборудования и снять дополнительные требования к точности сборки устройства и юстировке его движущихся частей.
Недостатки: сниженная надежность, т.к. используется механическая связь датчика положения с валом рукоятки, используется цифровой интерфейс для передачи выходного сигнала, поэтому требуется согласование с приемником сигнала, отсутствуют дополнительные сигналы коммутации цепей подвижного состава, отсутствует дублирование управляющих сигналов и коммутации цепей управления, отсутствуют дополнительные датчики фиксированных положений.
В настоящее время технической проблемой является то, что в условиях интенсивного использования железнодорожного транспорта и увеличения средней скорости движения подвижного состава наиболее актуальной является надежность функционирования контроллера машиниста при управлении подвижным составом.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности устройства.
Существенными отличительными признаками заявляемой полезной модели являются следующие:
- выполнение преобразования угла поворота рукояток на бесконтактных датчиках;
- выполнение выходного сигнала текущего положения главной рукоятки аналоговым с передачей по интерфейсу «токовая петля»;
- выполнение, по меньшей мере, двумя бесконтактными датчиками определения фиксированных положений главной рукоятки, соответствующих нулевой и маневровой скорости, задающих коммутацию внешних цепей управления;
- выполнение дублированными датчиками определения положения рукоятки, узлов обработки и формирователей сигналов и бесконтактных электронных ключей.
В отличие от прототипа указанная совокупность существенных отличительных признаков заявляемого технического решения наряду с известными из уровня техники признаками позволяет повысить надежность контроллера машиниста.
Сущность полезной модели, ее реализуемость и возможность промышленного применения поясняются чертежами, представленными на Фиг. 1-3.
На представленных чертежах имеются следующие обозначения:
1 - контроллер машиниста;
2 - главная рукоятка;
3 - рукоятка реверса;
4 - бесконтактный датчик текущего положения главной рукоятки;
5 - бесконтактные датчики фиксированных нулевого и маневрового положений главной рукоятки;
6 - бесконтактные датчики положения рукоятки реверса;
7 - узел обработки сигналов;
8 - формирователь выходного аналогового сигнала;
9 - бесконтактные ключи;
10 - первый канал передачи информации о положении рукояток;
11 - энкодер бесконтактного датчика текущего положения главной рукоятки;
12 - магнит бесконтактного датчика текущего положения главной рукоятки;
13 - датчики Холла бесконтактных датчиков фиксированных положений главной рукоятки;
14 - магниты бесконтактных датчиков фиксированных положений главной рукоятки;
15 - дополнительный бесконтактный датчик текущего положения главной рукоятки;
16 - дополнительные бесконтактные датчики фиксированных нулевого и маневрового положений главной рукоятки;
17 - дополнительные бесконтактные датчики положения рукоятки реверса;
18 - дополнительный узел обработки сигналов;
19 - дополнительный формирователь выходного аналогового сигнала;
20 - дополнительные бесконтактные ключи;
21 - второй канал передачи информации о положении рукояток;
22 - дополнительный энкодер бесконтактного датчика текущего положения главной рукоятки;
23 - дополнительный магнит бесконтактного датчика текущего положения главной рукоятки;
24 - дополнительные датчики Холла бесконтактных датчиков фиксированных положений главной рукоятки;
25 - дополнительные магниты бесконтактных датчиков фиксированных положений главной рукоятки.
Контроллер 1 машиниста (Фиг. 2) содержит главную рукоятку 2 и рукоятку 3 реверса (Фиг. 1), бесконтактные датчики 4, 5, 6 (Фиг. 1, 2, 3) положения главной рукоятки 2 (Фиг. 1, 2) и рукоятки 3 реверса (Фиг. 1), подключенные ко входу узла 7 обработки сигналов, к выходу которого подключен формирователь 8 выходного аналогового сигнала текущего положения главной рукоятки 2 и бесконтактные ключи 9, коммутирующие цепи управления в соответствии с положениями рукояток 2,3. Датчики 4, 5, 6, узел обработки 7, формирователь 8 выходного аналогового сигнала текущего положения главной рукоятки 2 и, по меньшей мере, два бесконтактных ключа 9 образуют первый канал 10 передачи информации о положении рукояток 2,3 контроллера 1. В качестве бесконтактного датчика 4 положения главной рукоятки 2 используется абсолютный угловой энкодер 11 с магнитом 12, установленным на валу главной рукоятки 2, формирующий цифровой код, соответствующий текущему положению главной рукоятки 2. Главная рукоятка 2 выполнена с возможностью плавного перемещения от маневрового до крайнего положения, соответствующего максимальному заданию тяги или торможения подвижного состава. Формирователь 8 выходного сигнала выполнен в виде цифроаналогового преобразователя, формирующего сигнал от узла обработки 7, выполненного на базе микроконтроллера, в сигналы стандартного интерфейса «токовая петля» (4-20 мА) по ГОСТ 26.011-80. Использование указанной «токовой петли» повышает надежность передачи выходного сигнала и обеспечивает диагностику обрыва внешней цепи устройства. Датчики 5, 6 фиксированных положений рукоятки реверса 3 и главной рукоятки 2 выполнены бесконтактными на основе датчиков Холла 13 с магнитами 14 и оптических преобразователей соответственно. Выходные сигналы контроллера 1 машиниста формируются в соответствии с данными калибровки (в том числе первичной) положений главной рукоятки 2, хранящимися в энергонезависимой памяти микроконтроллера узла обработки 7 с датчиков 4, 5, 6, что позволяет производить калибровку устройства без применения дополнительного оборудования и исключить дополнительные требования к точности сборки устройства и юстировке его движущихся частей. Контроллер 1 машиниста также содержит дополнительные (дублированные) бесконтактные датчики 15, 16, 17 положений рукоятки реверса 3 и главной рукоятки 2, подключенные ко входу дополнительного узла обработки 18, к выходу которого подключен дополнительный формирователь 19 выходного аналогового сигнала текущего положения главной рукоятки 2 и, по меньшей мере, два бесконтактных ключа 20, коммутирующие цепи управления в соответствии с положениями рукояток 2,3. Датчики 15, 16, 17, узел обработки 18, формирователь 19 выходного аналогового сигнала текущего положения главной рукоятки 2 и бесконтактные ключи 20 образуют второй канал 21 передачи информации о положении рукояток 2,3 контроллера 1. Датчик 15 выполнен на основе энкодера 22 с магнитом 23, установленным на валу главной рукоятки 2. Датчики 16, 17 фиксированных положений рукоятки реверса 3 и главной рукоятки 2 выполнены бесконтактными на основе датчиков Холла 24 с магнитами 25 и оптических преобразователей соответственно.
Выходные сигналы по второму каналу 21 передачи информации о положении рукояток 2,3 контроллера 1 машиниста формируются в соответствии с данными калибровки (в том числе первичной) положений главной рукоятки 2, хранящимися в энергонезависимой памяти микроконтроллера узла обработки 15 сигналов с датчиков 15, 16, 17. Коммутация цепей управления подвижного состава осуществляется бесконтактными электронными ключами 20 (например, оптическими реле). Внутренние цепи контроллера 1 машиниста имеют гальваническую развязку относительно его внешних цепей. Сигналы контроллера 1 машиниста выведены на два одинаковых соединителя (на Фиг. не показаны), которые выполнены в виде стандартных клеммных колодок или стандартных разъемов. Выполнение датчиков определения положения рукояток, узлов обработки и формирователей сигналов и бесконтактных электронных ключей дублированными образует два канала 10, 21 (Фиг. 1) передачи информации о положении рукояток на пульт управления машиниста.
Устройство работает следующим образом.
Контроллер машиниста 1 осуществляет преобразование положения главной рукоятки 2 и рукоятки реверса 3 в электрические сигналы и коммутацию цепей управления подвижного состава. Рукоятка реверса 3 выполнена съемной (в нейтральном положении), что обеспечивает защиту от несанкционированного управления контроллером (подвижным составом) в период отсутствия машиниста, так как взаимная блокировка главной рукоятки 2 и рукоятки реверса 3 не позволяет перевести главную рукоятку 2 из нулевого положения.
В процессе управления движением подвижного состава машинист переводом рукоятки реверса 3 в положение «ВПЕРЕД» или «НАЗАД» разблокирует главную рукоятку 2. При помощи главной рукоятки 2 машинист управляет тягой или торможением подвижного состава.
Главная рукоятка 2 выполнена с возможностью ее плавного перемещения (изменения положения) в режиме задания тяги и торможения -между фиксированным положением, соответствующим маневровому режиму движения подвижного состава, и крайним положением, соответствующим максимальному заданию тяги или торможения. При изменении положения главной рукоятки 2 магнитное поле от магнитов 12, 23, установленных на валу главной рукоятки 2 (с двух сторон), воздействует на энкодеры 11, 22 бесконтактных датчиков 4, 15, бесконтактные датчики 4, 15 передают сигнал о положении главной рукоятки 2 в узлы обработки 7, 18 сигналов, которые с помощью формирователей 8,19 выходных сигналов в зависимости от записанного в микроконтроллеры узлов обработки 7,18 программного обеспечения и предварительной настройки параметров контроллера машиниста 1 формируют выходные сигналы текущего положения главной рукоятки 2. Сигналы положения рукоятки 3 реверса и главной рукоятки 2 формируются по двум независимым (дублированным) каналам: датчики 4, 5, 6, узел обработки 7, формирователь 8 выходного сигнала, образующим первый канал 10 передачи информации о состоянии рукояток 2,3 контроллера 1, и дополнительные датчики 15, 16, 17, дополнительный узел обработки 18 и дополнительный формирователь 19 выходного сигнала, образующим второй канал 21 передачи информации о состоянии рукояток 2,3 контроллера 1, что повышает надежность устройства. При формировании выходных сигналов контроллера 1 машиниста учитываются данные калибровки положений главной рукоятки 2, хранящиеся в энергонезависимой памяти микроконтроллеров узлов обработки 7, 18 сигналов. Наличие функции калибровки позволяет учесть нелинейность и отклонение зависимости выходного сигнала от угла поворота главной рукоятки 2 из-за наличия технологических отклонений при изготовлении и сборке устройства.
При перемещении машинистом главной рукоятки 2 одновременно с формированием выходных аналоговых сигналов, соответствующих положению главной рукоятки 2, по сигналу от бесконтактных датчиков 5, 17, выполненных на основе магнитов 14, 25 и датчиков Холла 13, 24, в положениях, соответствующих нулевой или маневровой скорости, происходит коммутация цепей управления в основных состояниях подвижного состава.
Цепи управления коммутируются бесконтактными электронными ключами 9, 20.
Использование бесконтактных датчиков 4, 5, 6, 15, 16, 17, использование узлов обработки сигналов 7, 18, формирователей выходного аналогового сигнала 8, 19 для преобразования угла поворота рукояток 2, 3, а для коммутации цепей управления - бесконтактных электронных ключей 9, 20 с использованием микропроцессоров для обработки данных уменьшает механический износ элементов устройства, применение калибровки устройства на стадии изготовления снижает требования к точности изготовления конструктивных элементов, что в совокупности позволяет уменьшить массо-габаритные показатели устройства и встроить дополнительные сигналы, обеспечивающие надежность и безопасность движения подвижного состава.
Плавное движение главной рукоятки 2, а также использование магнитов и энкодеров в качестве датчиков 4, 15, узлов обработки 7, 18 на основе программируемых микроконтроллеров позволяет формировать плавно изменяющиеся сигналы задания тяги или торможения подвижного состава соответственно. Плавный характер изменения аналоговых сигналов обеспечивает плавность изменения электрических режимов работы тягового оборудования и механической нагрузки на подвижной состав.
В предложенном устройстве выходной аналоговый сигнал передается по интерфейсу «токовая петля» и не зависит от параметров нагрузки, т.к. используется источник тока, а не источник напряжения, применяемый в цифровом интерфейсе, что обеспечивает высокую точность передачи сигнала, при этом не требуется согласование с приемником сигнала, что характерно для передачи сигнала по цифровому интерфейсу. Используемый аналоговый сигнал (4-20) мА позволяет отличить нулевой сигнал от обрыва выходной цепи в отличие от цифрового сигнала, где «0» может возникать как при нулевой величине сигнала, так и при обрыве цепи. Постоянное наличие в линии тока от 4 до 20 мА позволяет при необходимости обеспечить подачу питания на приемник сигнала.
Дублирование каналов определения положения и передачи информации о положении рукояток 2, 3 и формирования всех независимых выходных сигналов повышает надежность устройства, в том числе снижает риск использования неисправного контроллера машиниста 1.
Все выходные сигналы устройства выводятся на два одинаковых соединителя (стандартные клеммные колодки или разъемы), к которым подключаются внешние электрические цепи подвижного состава.
В отличие от прототипа, где вал главной рукоятки связан с валом энкодера через соединительную муфту, в предложенном техническом решении датчики угла положения рукоятки выполнены бесконтактными, сигнал с каждого датчика поступает на узел обработки сигнала, подключенному к формирователю аналогового сигнала.
В отличие от прототипа, где передача сформированных сигналов управления осуществляется с использованием цифрового интерфейса связи, в предложенном техническом решении выходной сигнал выполнен аналоговым с передачей по стандартному интерфейсу «токовая петля», а для коммутации цепей управления используются электронные бесконтактные ключи.
В отличие от прототипа в предложенном техническом решении имеются, по меньшей мере, два бесконтактных датчика для определения фиксированных положений, соответствующих нулевой или маневровой скорости, задающих коммутацию внешних цепей управления.
В отличие от прототипа, в предложенном техническом решении датчики определения положений рукояток, узлы обработки и формирователи сигналов и бесконтактные электронные ключи выполнены дублированными.
Заявленная техническая проблема может быть решена при осуществлении и использовании заявленной полезной модели, которая не могла быть решена при осуществлении прототипа заявленного технического решения.
Благодаря использованию в предложенном техническом решении совокупности существенных отличительных признаков наряду с известными из уровня техники признаками обеспечивается заявленный технический результат - повышение надежности контроллера машиниста, а следовательно, и безопасности ведения подвижного состава за счет использования для преобразования угла поворота рукоятки бесконтактного датчика углового положения на основе магнита с энкодером, выполнения выходного сигнала положения главной рукоятки аналоговым, задающим плавность регулирования тяги (торможения), использования передачи аналогового сигнала по интерфейсу «токовая петля», что обеспечивает точность передачи и диагностику целостности цепи; наличия дополнительных бесконтактных датчиков, определяющих фиксированные положения, соответствующие нулевой и маневровой скорости, и задающих соответствующую коммутацию внешних цепей для управления основными состояниями подвижного состава, дублирования каналов определения положения рукояток и формирования независимых выходных сигналов.
В уровне техники не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели.
Предложенная полезная модель технически осуществима и промышленно реализуема на приборостроительном предприятии. В настоящее время изготовлены опытные образцы заявляемого контроллера машиниста для использования на городском электропоезде ЭГ2Тв «Иволга». Проведенные испытания подтверждают достижение заявленного технического результата.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что предложенное техническое решение соответствует условиям патентоспособности полезной модели, т.е. является новым и промышленно применимым.