СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ И КОНТРОЛЯ УСТАНОВОК ПОДАЧИ ВОЗДУХА И ИХ КОМПОНЕНТОВ
SYSTEM FOR DIAGNOSTICS AND CONTROL OF AIR SUPPLY UNITS AND THEIR COMPONENTS

Изобретение относится к системе диагностики и контроля установок подачи воздуха и их компонентов.
Для контроля состояния установок подачи воздуха и, в частности, компрессоров пневматических тормозных систем в рельсовых транспортных средствах, в уровне техники используется, как правило, несколько отдельных датчиков или переключателей. Они являются, к примеру, датчиками температуры масла или датчиками контроля температуры выхода воздуха.
Эти компоненты служат в основном для того, чтобы гарантировать соблюдение максимального граничного значения, обычно имеющего отношение к безопасности. Этими значениями являются обычно максимальные значения температуры для температуры масла или температура самих компонентов. Соответствующие датчикам алгоритмы оценки являются, как правило, одномерными, так что значение датчика сравнивается с соответствующим максимальным граничным значением и при превышении граничного значения запускается аварийное отключение системы.
Недостатком данного действия является то, что не осуществляется истинный контроль состояния функционирования компонента(ов) установки подачи воздуха. Может быть лишь констатировано, что функционирование не может осуществляться в соответствии с заданным режимом, если было превышено граничное значение и, поэтому, имеет место аварийное отключение. Однако не могут быть сделаны никакие выводы о режиме функционирования до выхода из строя или об имеющихся ошибках. Поэтому, для предотвращения случаев выхода из строя техническое обслуживание должно производится с фиксированными интервалами. При этом могут иметь место случаи, что обычное обслуживание компонентов выполняется слишком рано, т.е. обслуживание компонентов, которые с технической точки зрения к заданному моменту времени ещё не должны подвергаться техническому обслуживанию. Поэтому такую процедуру следует оценивать как неэкономичную.
Следующий недостаток состоит в том, что вследствие постоянно ужесточающихся требований по спецификации к техническим установкам, к примеру, нормативов по акустической эмиссии, к энергосбережению и проч., по возможности, должны быть выполнены и обеспечены отвечающие требованиям режимы работы установок. В настоящее время, на базе имеющейся сейчас системы контроля состояния, это невозможно.
Поэтому задачей предложенного изобретения является создание системы диагностики и контроля установок подачи воздуха, которая повышает их надёжность и делает возможными интервалы обслуживания, обусловленные необходимостью, для экономически рациональной работы.
Эта задача решается посредством системы в соответствии с изобретением согласно независимому пункту формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются предметом последующих зависимых пунктов формулы изобретения.
Эта задача решается, в частности, посредством системы диагностики установок подачи воздуха, которая позволяет регистрировать изменения в состоянии и в функционировании установки подачи воздуха и её компонентов, чтобы на основании данной информации иметь возможность выбрать оптимальные рабочие режимы, чтобы, с одной стороны, поддерживать функционирование всей системы в целом, и, с другой стороны, иметь возможность соответствовать внешним требованиям по спецификации.
На основании полученной информации возможно, таким образом, организовывать также возможные интервалы между проведением технического обслуживания не строго более продолжительными, а осуществлять их по необходимости, лишь ориентируясь на состояние отдельных компонентов.
Система в соответствии с изобретением имеет компрессор для получения сжатого воздуха для системы, осушитель воздуха для удаления влаги из сжатого воздуха, по меньшей мере два датчика, причём один датчик регистрирует сигнал состояния установки подачи воздуха, а другой датчик регистрирует контрольный сигнал, а также блок оценки для выполнения оценки зарегистрированных посредством датчиков данных, путем сравнения указанного сигнала состояния с указанным контрольным сигналом, причём блок оценки выполнен с возможностью также преобразовывать сигналы датчиков на основании алгоритма оценки в сигналы обслуживания и/или управления, которые опять же регулируют режим работы или интервал обслуживания установки подачи воздуха.
Датчики регистрируют в качестве контрольного сигнала температуру на входе охлаждающего воздуха, а в качестве сигнала состояния - температуру компонента, к примеру, температуру стенки цилиндра компрессора, или температуру масла, и/или в качестве контрольного сигнала - температуру воздуха на входе в процесс, а в качестве сигнала состояния - температуру компонента, температуру воздуха на выходе или температуру масла, и/или в качестве контрольного сигнала - давление на входе, а в качестве сигнала состояния - промежуточное давление или имеющееся после последней ступени уплотнителя конечное давление, и/или в качестве контрольного сигнала - температуру воздуха, а в качестве сигнала состояния - точку росы сжатого воздуха, на основании измеренных значений влажности воздуха и температуры сжатого в компрессоре технологического воздуха.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения датчики, в зависимости от типа компрессора, регистрируют параметры технологического процесса и компонента, такие как температура охлаждающего воздуха, температура всасывания, температура стенки цилиндра компрессора, температура масла, температура на выходе, конечное давление и/или разреженное давление на входе, чтобы на базе данных параметров осуществлять контроль состояния и управление преобразователем компрессора, который устанавливает частоту и амплитуду прилагаемого к компрессору напряжения и, тем самым, рабочие параметры компрессора.
Кроме того, изобретение в предпочтительном варианте осуществления имеет блок передачи данных, который передаёт данные датчиков, уже оцененные на первой стадии в транспортном средстве, то есть находящийся в транспортном средстве, вместе с информацией о транспортном средстве, также важной для оценки, в устройство для обработки данных, расположенное со стороны пути, то есть находящееся вне транспортного средства, чтобы данные могли быть оценены далее. Таким образом, обработка данных производится в этом варианте осуществления в несколько стадий, последовательно друг за другом. Таким образом, зависимости от типа и сложности оценки различные функции могут выполняться различными устройствами.
Преимущество многостадийной оценки состоит, к примеру, в том, что блок оценки, находящийся на транспортном средстве, может иметь лишь сравнительно небольшие вычислительные возможности. Вычислительные возможности центрального блока оценки, в случае необходимости, могут быть расширены простым способом. Кроме того, возможен учёт других данных, которые в самом транспортном средстве недоступны, к примеру, данные других транспортных средств и, таким образом, может быть произведена более полная оценка. Так посредством центрального блока оценки со стороны дороги могут в полной мере производиться сравнения, к примеру, аналогичного расположения транспортных средств. Для этого центральный блок оценки для соответствующего случая оценки может получать информацию от других транспортных средств или из парков транспортных средств, если, в принципе, возникают такие же проблемы, с которыми, однако, данное отдельное транспортное средство ещё не сталкивалось. Таким образом, процедура оценки предоставляет в распоряжение существенно большее количество данных для заблаговременного определения возможных ошибок.
В описанном ранее предпочтительном варианте осуществления устройство обработки данных, находящееся со стороны пути, следует рассматривать как часть системы, и оно имеет по меньшей мере одну базу данных и/или один веб-сервер.
В описанном двумя абзацами ранее предпочтительном варианте осуществления взаимодействие производится в предпочтительном варианте посредством беспроводной локальной сети WLAN и/или мобильной радиосвязи, для обеспечения гарантии непрерывного и работающего на бóльших расстояниях обмена данными.
В следующем предпочтительном варианте осуществления устройство, находящееся со стороны пути, выполнено с возможностью долгосрочно сохранять данные с различных транспортных средств, и имеет устройство вывода, для обеспечения возможности выдачи собранных данных пользователям.
В следующем предпочтительном варианте осуществления датчики и блок оценки, находящийся на транспортном средстве, расположены в сети CAN-шины, причём блок оценки функционирует как ведущее устройство на шине, или в локальной сети Ethernet. В случае необходимости датчики имеют преобразователи сигналов, которые преобразуют сигналы таким образом, чтобы они могли быть переданы в соответствующей сети. Сигналы датчиков передаются предпочтительно по экранированным проводам от датчиков к блоку оценки.
Кроме того, система имеет в следующем предпочтительном варианте осуществления в тех местах, в которых сигнал должен быть преобразован, преобразователи сигналов, которые преобразуют, к примеру, сигналы датчиков для передачи на блок оценки или для передачи на блок приёма данных, находящийся со стороны пути. Если сигналы для передачи между различными компонентами системы должны преобразовываться чаще, то предусмотрено, соответственно, несколько преобразователей сигналов. Они могут быть уже встроенными в датчики.
В следующем предпочтительном варианте осуществления изобретения система реализована в центральном блоке управления тормозной системой. Таким образом, блоку оценки доступны дополнительно другие сигналы диагностики и управления транспортным средством, к примеру, данные преобразователя частоты компрессора установки подачи воздуха, метеорологические данные или информация о фактическом функционировании транспортного средства.
Вариант осуществления изобретения поясняется далее более детально со ссылкой на две фигуры.
Фиг.1 показывает схему варианта осуществления изобретения, которая ограничена системой контроля компрессора установки подачи воздуха.
Фиг.2 показывает вариант возможного расположения датчиков для контроля компрессора установки подачи воздуха.
Датчики 2 на фиг.1 регистрируют имеющие значение в процессе эксплуатации температуру и давление компрессора 1. При этом часть датчиков обнаруживает сигналы состоянии компрессора 1, к примеру, температуру стенки цилиндра, температуру масла, промежуточное давление между двумя ступенями компрессора, конечное давление после последней ступени компрессора или косвенно точку росы сжатого воздуха, на основании измеренных значений для влажности воздуха и температуры воздуха в компрессоре. Другая часть датчиков регистрирует параметры, измерительные сигналы которых служат в качестве контрольных сигналов. Ими являются, к примеру, температура наружного воздуха, температура всасываемого воздуха, температура охлаждающего воздуха или давление всасывания. Система датчиков осуществлена при этом таким образом, что для каждого сигнала состояния регистрируется контрольный сигнал одинакового типа. При этом контрольный сигнал может служить также в качестве контрольного значения для нескольких сигналов состояния.
Описание представленного в качестве примера расположения выбранных датчиков поясняется далее со ссылкой на фиг.2.
Кроме того, предусмотрен блок 3 оценки, который производит оценку обнаруженных сигналов датчиков 2. Датчики 2 и блок 3 оценки расположены при этом в сети CAN-шины (не показана), причём блок 3 оценки представляет собой главный узел CAN-шины. Для передачи данных с датчиков сигналы посредством преобразователя сигналов преобразуются в сигналы CAN-шины.
В блоке 3 оценки могут осуществляться простые режимы оценки, к примеру, сравнения между сигналом состояния и контрольным сигналом или сравнения между сигналом состояния и соответствующим максимальным значением. Результаты данного сравнения совместно со всеми важными для транспортного средства данными, или со всеми зарегистрированными сигналами датчиков, направляются далее на блок 4 передачи данных.
Он передаёт данные далее либо на блок 10 управления установки подачи воздуха, либо на блок 5 приёма данных, находящийся со стороны пути. Блок 10 управления перерабатывает информацию в команды управления для устройства подачи воздуха и, таким образом, для компрессора 1, вследствие чего изменения в режиме работы компрессора 1 могут быть за счёт регулировки преобразователя 13 компрессора 1 преобразованы. Кроме того, блок 3 оценки может использовать также внутренние сигналы для контроля за преобразователем, к примеру, температуру преобразователя и потребление тока. Таким образом, можно быстро и краткосрочно реагировать на непредвиденные ситуации и делать заключения в отношении эксплуатационных характеристик.
За счёт встраивания блока управления в комплексную систему управления поездом, для случая непредотвратимого аварийного режима сигналы устройства диагностики могут быть перекрыты сигналами системы управления поездом. Таким образом, в блоке управления возможна сравнительная оценка сигналов.
За счёт передачи данных на блок 5 приёма данных устройства (14) обработки данных со стороны дороги, данные могут быть, к тому же, в течение длительного времени предоставлены для доступа различным пользователям в базе данных, в данном варианте через веб-сервер 7.
Кроме того, данные из блока 5 приёма данных попадают в центральный блок 8 оценки, находящийся со стороны пути. Он также имеет связь с базой данных веб-сервера 7 и, таким образом, также имеется доступ к дополнительной информации, которая не была зарегистрирована датчиками транспортного средства. На основании этой дополнительной информации и просто наращиваемого объёма вычислений, к примеру, в расчётном центре, может быть произведена более широкомасштабная оценка данных.
Результаты данной оценки выдаются затем пользователям через устройство 9 вывода устройства (14) обработки данных, находящегося со стороны пути, или через приёмный блок, встроенный в блок 10 управления, обратно на блок 10 управления, который снова инициирует измерение режима работы компрессора 1.
Если система распознаёт, к примеру, что имеется опасность превышения максимальной температуры цилиндра поршневого компрессора или температуры масла винтового компрессора, то блок 10 управления может снизить число оборотов компрессора, чтобы уменьшить дальнейшее повышение температуры в системе и удерживать допустимые значения температуры, и при этом, тем не менее, иметь возможность гарантировать минимально требуемое давление в системе.
Для компрессоров, в которых вследствие небольшой потребности в воздухе не достигается значение рабочей температуры и поэтому имеется опасность повреждения компрессора из-за накопления воды в масле, объединение системы контроля компрессора и блока управления делает возможным регулировку повышения числа оборотов компрессора 1. Таким образом, компрессор эксплуатируется на верхнем допустимом уровне давления, вследствие чего быстрее достигается повышенный уровень температуры для испарения воды. Одновременно открывается клапан, чтобы далее не повышался уровень давления в самом транспортом средстве и, таким образом, вода в форме водяного пара могла бы максимально быстро выйти из системы. За счёт повышения числа оборотов, то есть за счёт ускоренного выведения воды, опасность повреждения компрессора скоплением воды в масле может быть устранена быстрее, чем при работе на более низких оборотах. Также в случае необходимости мощность охлаждения электрических вентиляторов для охлаждения компрессора или преобразователя может быть повышена или уменьшена. Таким образом, целенаправленно могут распознаваться воздействия, обусловленные как режимом эксплуатации, так и внешние, и могут быть предприняты необходимые контрмеры.
Следует указать, что в других вариантах оценка данных с датчиков может производиться лишь со стороны транспортного средства, то есть в самом транспортном средстве, или лишь со стороны пути, то есть вне транспортного средства.
Фиг.2 показывает возможное расположение различных датчиков для контроля компрессора 1 установки подачи воздуха. В представленном варианте, компрессор 1 является двухступенчатым поршневым компрессором с двумя головками 1а и 1b цилиндров с одной стороны и дополнительной головкой цилиндра на другой стороне. Непосредственно рядом с цилиндрами компрессора с одной стороны расположен вентилятор 11, который охлаждает компрессор 1 посредством окружающего воздуха. На другой стороне представлен воздухозаборный короб 12 компрессора 1. Цилиндры приводятся в действие посредством мотора, который находится на противоположной стороне относительно вентилятора 11 компрессора. На стороне одного цилиндра, на представленном перспективном изображении показан плохо распознаваемым, цилиндр низкого давления. На стороне двух цилиндров, передний меньший цилиндр, расположенный со стороны вентилятора, является цилиндром (1b) высокого давления, а задний цилиндр, расположенный со стороны мотора, также является цилиндром (1а) низкого давления.
Если смотреть спереди, охлаждающее устройство разделено по горизонтали. В нижней зоне имеется давление первого уплотнения – полученное посредством двух цилиндров низкого давления (промежуточное давление), а в верхней зоне - давление после второго уплотнения (давление системы, конечное давление).
1
2
3
Расположенный непосредственно перед вентилятором 11 датчик температуры измеряет температуру окружающего воздуха непосредственно перед входом в вентилятор 11. Эта температура окружающего воздуха представляет собой, таким образом, температуру Т охлаждающего воздуха системы. Следующий датчик температуры измеряет температуру Т на стенке 1b цилиндра. Наконец, третий датчик температуры измеряет температуру сжатого воздуха после выхода из компрессора и перед входом в непоказанный осушитель воздуха. Шланг 13 представляет собой соединение между компрессором 1 и осушителем воздуха. Эта температура является, таким образом, температурой Твхождения в осушитель воздуха.
1
2
3
3
Датчик давления измеряет в воздухозаборном коробе 12 разреженное давление р всасывания, в то время как следующий датчик давления в промежуточном контуре измеряет давление рпромежуточного контура между двумя ступенями двухступенчатого поршневого компрессора. Аналогично измерению температуры Т на входе в осушитель воздуха третий датчик давления измеряет окончательное давление р после выхода воздуха из компрессора и перед входом в непоказанный осушитель воздуха.
1
2
3
1
2
3
На основании этих сигналов измерения могут быть сформированы пары значений, состоящие из сигнала состояния и контрольного сигнала, для контроля компрессора 1. При этом температура Т всасывания воздуха может служить в качестве контрольного сигнала, а температура Т стенки цилиндра и температура Твхода в осушитель воздуха - в качестве сигнала состояния. Аналогично этому разреженное давление р всасывания (на входе) может быть определено в качестве контрольного сигнала, а давление р в промежуточном контуре или конечное давление р – в качестве сигнала состояния.
Перечень ссылочных позиций
1 компрессор
1а головка цилиндра ступень а компрессора
1b головка цилиндра ступень b компрессора
2 датчик
3 блок оценки (на транспортном средстве)
4 блок передачи данных
5 блок приёма данных
6 база данных
7 веб-сервер
8 блок оценки (со стороны пути)
9 устройство вывода
10 блок управления
11 вентилятор
12 воздухозаборный короб
13 шланг
1
Ттемпература охлаждающего воздуха
2
Ттемпература стенки цилиндра
3
Ттемпература на входе в осушитель воздуха
1
рразреженное давление на входе
2
р давление в промежуточном контуре
3
р конечное давление