СИСТЕМА МОНИТОРИНГА И ДИАГНОСТИКИ УМНОГО ГРУЗОВОГО ВАГОНА
SMART FREIGHT CAR MONITORING AND DIAGNOSTICS SYSTEM

Настоящее изобретение относится к системе мониторинга и диагностики, в частности, для железнодорожных или грузовых вагонов.
При использовании грузовых вагонов, оборудованных пневматическими тормозными системами, для перевозки товаров, необходимо осуществлять мониторинг и диагностику грузовых вагонов, в частности их тормозных систем, а также товаров, чтобы машинисты, операторы на местах (лица, которые управляют тормозными системами при испытании тормозных операций при составлении составов поездов перед транспортировкой), владельцы инфраструктуры и транспортные компании имели подробную информацию о своих активах. Эта информация в основном содержит следующее:
- параметры пневматической тормозной системы (машинист и/или оператор на месте),
- параметры осевых подшипников (машинист),
- параметры колеса (машинист),
- параметры железнодорожного пути (владелец инфраструктуры),
- параметры перевозимых товаров (транспортная компания и ее клиенты), и
- статические данные (состав поездов, последовательность вагонов в поезде).
К параметрам тормозной системы относятся, например, толщина тормозной колодки, уровни давления в тормозных магистралях, тормозных цилиндрах и регулирующих клапанах и т.д. Отклонения измеренных уровней давления от оптимальных уровней давления могут указывать на возможные неисправности тормозной системы, такие как неисправность тормозного клапана, заедание или прихватывание тормоза, медленное включение тормоза, медленное отпускание тормоза (эти значения времени реакции (отпускание, включение и т.д.) подробно описаны в конкретных железнодорожных стандартах (EN15355, UIC540). Превышение этого времени указывает на неисправность тормозной системы. Как следствие, эти вагоны не допускают к движению), медленная заправка резервуара или отказ клапана опорожнения/загрузки. Заевшие или прихваченные тормоза можно также определить, обнаружив недопустимое выделение тепла из-за трения тормозной колодки и тормозного диска/барабана (натяжного прибора) датчиками температуры. Прихваченные тормоза также можно определить по остаточному высокому давлению в системе (из-за медленного отпускания) или по положению механического тормоза. Выход из строя осевых подшипников в худшем случае может привести к сходу с рельсов. Эти неисправности могут быть идентифицированы по недопустимому выделению тепла, обнаруживаемого датчиками температуры, а также путем мониторинга давления в тормозной системе, где можно обнаружить чрезмерное и недостаточное торможение вагона. Чрезмерное торможение может привести к чрезмерному нагреву или образованию выбоин в колесе, а недостаточное торможение, с другой стороны, может привести к ухудшению тормозных характеристик. Параметры колес и проблемы геометрии, связанные с параметрами колес, могут быть идентифицированы датчиками ускорения, установленными на железнодорожных вагонах (на оси колеса и/или на тележке). Параметры рельсового пути и проблемы геометрии, связанные с параметрами рельсового пути, аналогичные параметрам колес, также могут быть идентифицированы датчиками ускорения. Используя систему диагностики тормозов, можно избежать вышеупомянутых неисправностей, приняв необходимые профилактические меры. Следует также отслеживать транспортировку грузов, например, для определения веса товаров, загруженных в вагоны, что возможно путем отслеживания давления клапанов с помощью клапанов управления и взвешивающих клапанов, включенных в тормозную систему. Способ мониторинга зависит от вида товаров и вагонов. Чаще всего используют датчики температуры, давления и ускорения. Также необходимо учитывать другие параметры, такие как состояние открытия/закрытия люка.
Однако в грузовых вагонах существующего уровня техники отсутствует линия электропередачи, проходящая вдоль поезда, что затрудняет обеспечение различных электронных функций для диагностики компонентов железнодорожного вагона или контроля товаров, перевозимых в грузовых вагонах.
Поэтому цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить систему мониторинга и диагностики, в частности для железнодорожного/грузового вагона, которая имеет простую конструкцию и содержит достаточно энергии для выполнения различных электронных функций для диагностики компонентов железнодорожного вагона и/или контроля товаров, перевозимых в грузовых вагонах.
Вышеуказанную задачу решают с помощью системы мониторинга и диагностики по п. 1 формулы изобретения. Другие дополнительные полезные усовершенствования изобретения заявлены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с настоящим изобретением система мониторинга и диагностики для железнодорожного вагона содержит несколько блоков датчиков, концентратор датчиков и приемник, причем набор блоков датчиков содержит по меньшей мере один сборщик энергии и одно средство накопления энергии. Каждый блок датчиков содержит датчики и блок передачи данных. Концентратор датчиков также содержит подсистему связи и необязательно датчики.
Сборщик энергии выполнен с возможностью преобразования энергии окружающей среды в электрическую энергию и может представлять собой, например, фотоэлектрическую панель, термоэлектрический генератор, пьезоэлектрический генератор, генератор осевых подшипников или небольшую турбину. Сборщик энергии предназначен для подачи питания на датчики и/или блок передачи данных и/или для зарядки средств накопления энергии. По меньшей мере один из блоков датчиков в системе мониторинга и диагностики содержит сборщик энергии.
Средство накопления энергии может представлять собой батареи, аккумуляторы, конденсаторы, суперконденсаторы и т.д. любого типа. По меньшей мере один из блоков датчиков в системе мониторинга и диагностики содержит средство накопления энергии.
Возможно, что блок датчиков не содержит ни сборщика энергии, ни средства накопления энергии. Блок датчиков без средства накопления энергии может быть запитан от других источников, например от другого блока датчиков со средством накопления энергии или от концентратора датчиков.
Датчики могут быть аналоговыми или цифровыми устройствами любого типа в зависимости от измеряемых параметров. Чаще всего применяют такие датчики как датчики давления для детектирования, например, состояния тормозной системы, датчики температуры для детектирования, например, состояния подшипников, а также акселерометры или датчики вибрации для измерения геометрии колес и пути, например, ровности и округлости.
Блок передачи данных отвечает за передачу обнаруженных/измеренных данных датчиков на концентратор датчиков, а подсистема связи отвечает за передачу данных от концентратора датчиков на приемник. Передача данных может происходить по проводной или по беспроводной связи.
Дополнительные цели и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из последующего описания предпочтительного варианта осуществления и чертежей.
На фиг. 1 приведена упрощенная схема системы мониторинга и диагностики в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2 приведена блок-схема блоков датчиков в упомянутой системе мониторинга и диагностики, показанной на фиг. 1.
На фиг. 3 приведена схема концентратора датчиков в упомянутой системе мониторинга и диагностики, показанной на фиг. 1.
На фиг. 1 показан грузовой вагон 10, его тормозной механизм 12 и система мониторинга и диагностики, которая содержит блоки 1a, 1b и 1c датчиков, концентратор 4 датчиков и приемник 5. В этом варианте блок 1a датчиков прикреплен к внешнему шасси грузового вагона 10 для измерения, например, давления в тормозной системе; блоки 1b датчиков прикреплены к тормозному механизму 12 грузового вагона 10 для измерения, например, параметров тормозной системы для определения правильности хода механизма и/или измерения толщины тормозных колодок; а блок 1c датчиков размещен внутри грузового вагона для измерения состояния груза, например температуры груза (например, транспортируемой пищи), давления груза (например, транспортируемых газов, жидкостей, опасных грузов) или положения груза (например, транспортируемых ящиков, угля и т.д.). Концентратор 4 датчиков расположен внутри грузового вагона 10 и выполнен с возможностью приема всех обнаруженных данных от блоков 1а, 1b и 1с датчиков. Приемник 5 расположен на сервере служебного офиса и выполнен с возможностью принимать данные от концентратора 4 датчиков по беспроводной связи. В качестве альтернативы приемник 5 может быть расположен на локомотиве или на обочине дороги/рельсов.
На фиг. 2 показан один из блоков 1a, 1b и 1c датчиков. В этом варианте блок 1a/1b/1c датчиков оснащен одним сборщиком (P) энергии, который выполнен с возможностью преобразовывать энергию окружающей среды в электрическую энергию, и одним средством (E) накопления энергии, которое выполнено с возможностью хранить электрическую энергию, генерируемую сборщиком (P) энергии. Кроме того, блок 1a/1b/1c датчиков содержит датчики (S) и блок (D) передачи данных.
В альтернативном предпочтительном варианте каждый из блоков 1a, 1b и 1c датчиков содержит датчики (S) и блок (D) передачи данных, но не все блоки датчиков содержат сборщик (P) энергии или средство (E) накопления энергии. Возможно, что только один блок 1a/1b/1c датчиков оснащен сборщиком (P) энергии, и только один блок 1a/1b/1c датчиков оснащен средством (E) накопления энергии, а другие блоки датчиков получают энергию от этого одного средства (E) накопления энергии.
В другом альтернативном варианте другие блоки датчиков получают энергию от подсистемы (ps) питания концентратора 4 датчиков, которая более подробно описана ниже.
На фиг. 3 показан концентратор 4 датчиков в системе мониторинга и диагностики, приведенной на фиг. 1. Концентратор 4 датчиков содержит входные порты аналоговых и цифровых датчиков (ai и di), хранилище (ds) данных, подсистему (cs) связи, подсистему (ps) питания и датчики (sd) в качестве датчика GPS. Входные порты (ai и di) выполнены с возможностью подключения к датчикам блоков 1a, 1b и 1c датчиков. Данные датчиков либо сохраняют в хранилище (ds) данных, либо отправляют по беспроводной связи на приемник 5 посредством подсистемы (cs) связи. Хранилище (ds) данных содержит статический набор данных, содержащий, например, номер вагона, тип вагона, данные о владельце вагона и т. д. Подсистема (ps) питания предназначена для питания самого концентратора 4 датчиков.
В другом варианте подсистема (ps) питания может быть выполнена с возможностью подачи питания на некоторые из блоков 1a, 1b и 1c датчиков, которые не имеют средств накопления энергии или которым недостаточно электрической энергии. Подсистема (ps) питания может содержать средство накопления энергии любого типа, например, батареи, аккумуляторы, конденсаторы, суперконденсаторы и т.д., и может быть заряжена сборщиком (P) энергии блоков 1a, 1b и 1c датчиков. Концентратор 4 датчиков может быть выполнен таким образом, чтобы подсистема питания (ps) была заменяемой.
В другом варианте осуществления концентратор (4) датчиков может содержать только часть вышеупомянутых устройств ai, di, ds, cs, ps и sd.
В другом конкретном варианте тормозная система (не показана) грузового вагона 10 содержит регулирующий клапан (например, клапан KE™), воздушные баки (резервуар, вспомогательный резервуар, аварийный резервуар и т.д.) и тормозные цилиндры, сообщающиеся друг с другом через тормозные магистрали. Блок 1a датчиков соединен непосредственно с регулирующим клапаном или встроен в него для измерения давления в тормозном цилиндре, давления в тормозной магистрали, давления в аварийном резервуаре, давления во вспомогательном резервуаре, давления управления, сигнального весового давления и т.д. Блоки 1b датчиков соединены с тормозным механизмом 12 для измерения данных о геометрии колеса. Блок 1с датчиков установлен в грузовом вагоне 10 для измерения данных, относящихся к перевозимым товарам.
Измеренные данные датчика от блоков 1a, 1b и 1c датчиков отправляют на концентратор 4 датчиков, а от концентратора 4 датчиков на приемник 5. Данные, отправляемые от концентратора 4 датчиков на приемник 5, также могут содержать координаты GPS и статические данные, такие как номер вагона и/или информацию о владельце вагона.
В более подробном варианте осуществления изобретения, сборщик энергии (не показан) оснащен блоком 1а датчиков, и он представляет собой микротурбину, установленную на пути воздушного потока в тормозной системе (например, выходящего в атмосферу). Микротурбина предпочтительно представляет собой, так называемую турбину Tesla, так как она обладает низким сопротивлением воздуху при нахождении в воздушном потоке. Также может быть установлен дополнительный воздушный бак в тормозной системе, и микротурбина может быть установлена на пути воздушного потока дополнительного бака. В этом примере микротурбина выполнена с возможностью вырабатывать электроэнергию из воздушного потока для зарядки средства накопления энергии (не показано), которым, например, также оснащен блок 1а датчиков. Система мониторинга и диагностики выполнена таким образом, что накопленную энергию в блоке 1а датчиков можно использовать для питания некоторых или всех блоков 1а, 1b и 1с датчиков.