СИСТЕМА МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ УПРАВЛЕНИЯ И ДИАГНОСТИКИ ТЕПЛОВОЗА

Настоящее устройство относится к транспорту, в частности к автоматическим системам регулирования электропередачи основного и вспомогательного оборудования, диагностики состояния и режимов тепловоза.
Из предшествующего уровня техники известна микропроцессорная система регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства [RU 2443579, 18.11.2010, МПК B60L 11/04], содержащая дизель, соединенный жесткой связью с тяговым генератором с образованием дизель-генератора, возбудитель, соединенный жесткой связью с дизелем, датчик напряжения тягового генератора, датчик тока нагрузки тягового генератора, датчик скорости вращения вала дизель-генератора, датчик подачи топлива, датчик тока возбуждения тягового генератора, автоматический регулятор скорости вращения вала дизель-генератора, блок возбуждения возбудителя, изменяющий ток в обмотке возбуждения возбудителя, микропроцессорный контроллер, включающий в себя задающее устройство, первое, второе и третье сравнивающие устройства, причем блок возбуждения возбудителя включен в состав микропроцессорного контроллера, который дополнительно снабжен блоком расчета скорости, блоком выделения максимума, первым и вторым функциональными преобразователями, сумматором, блоком умножения, первым и вторым интеграторами, блок выделения максимума своими входами соединен с выходами датчика скорости вращения вала дизель-генератора и выходом блока расчета скорости, а выходом соединен с входом первого функционального преобразователя, первый выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен с первым входом первого сравнивающего устройства, второй вход которого соединен с выходом блока умножения, а выход соединен с входом первого интегратора, выход которого соединен с первым входом второго сравнивающего устройства, второй вход которого соединен с выходом датчика напряжения тягового генератора, а выход соединен с входом блока возбуждения возбудителя, первый, второй и третий входы блока расчета скорости соединены соответственно с выходами датчика напряжения, датчика тока нагрузки и датчика тока возбуждения тягового генератора, второй вход сумматора соединен с выходом второго интегратора, вход которого соединен с выходом третьего сравнивающего устройства, первый вход которого соединен с выходом датчика подачи топлива, а второй вход соединен со вторым выходом первого функционального преобразователя, входы блока умножения соединены с выходом датчика тока нагрузки тягового генератора и выходом первого интегратора, вход второго функционального преобразователя соединен с выходом задающего устройства, а выход соединен с входом автоматического регулятора скорости вращения вала дизель-генератора.
Недостатком данной системы является аппаратурная сложность, а, следовательно, низкая надежность.
Известна также микропроцессорная система регулирования напряжения тягового генератора тепловоза [RU 2475379, 30.08.2011, МПК B60L 15/20] содержащая дизель, соединенный с тяговым генератором с образованием дизель-генератора, возбудитель, соединенный жесткой связью с дизелем, датчик напряжения тягового генератора, датчик тока нагрузки тягового генератора, датчик скорости вращения дизель-генератора, датчик подачи топлива в дизель, микропроцессорный контроллер, включающий в себя первое и второе задающее устройство, первое, второе и третье сравнивающие устройства, блок управления пневматическим тормозом, блок расчета режимов движения и отображения оперативной информации, блок интерфейса, причем микропроцессорный контроллер снабжен функциональным преобразователем, который своим входом соединен с выходом датчика скорости вращения вала дизель-генератора, а выходами соединен соответственно с первым входом третьего сравнивающего устройства и первым входом сумматора, интегратора, соединенного своим выходом со вторым входом сумматора, выход сумматора соединен с первым входом первого сравнивающего устройства, второй вход которого соединен с выходом множительного устройства.
Недостатком этой системы является то, что в ней фактически не изменяется способ автоматического регулирования, не корректируются статические и динамические характеристики системы регулирования в зависимости от изменяющихся возмущающих воздействий.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является унифицированная микропроцессорная система управления, регулирования и диагностики [RU 146647, 09.01.2014, МПК B60L 15/20], содержащая блок регулирования и контроля, в состав которого входят блок питания с блоком вентиляторов, микропроцессорный блок и интерфейсный блок, содержащий устройства ввода/вывода дискретных сигналов, устройство ввода аналоговых сигналов и устройства ввода/вывода частотных сигналов; комплект периферийных блоков: блок навигационного приемника, дисплейный модуль и первый блок контроллера машиниста, которые установлены в основной пульт машиниста; блок вспомогательной индикации и второй блок контроллера машиниста, установленные во вспомогательный пульт машиниста; блок датчиков напряжения и тока, блок управления выпрямителем, установленные в высоковольтной камере тепловоза, и регулятор электрического торможения, установленный в отсеке тормозных резисторов тепловоза.
Общими существенными признаками с заявляемой полезной моделью являются блок регулирования и контроля, в состав которого входят блок питания с блоком вентиляторов, микропроцессорный блок и интерфейсный блок, содержащий устройства ввода/вывода дискретных сигналов, устройство ввода/вывода аналоговых сигналов и устройство ввода частотных сигналов; комплект периферийных блоков, включающий дисплейный модуль с блоком навигационного приемника, блок контроллера машиниста, блок вспомогательной индикации, регулятор электрического торможения с тормозными резисторами.
В данной системе предусмотрено охлаждение тормозных резисторов, на которые подается напряжение от тяговых электродвигателей, работающих в момент торможения в генераторном режиме, от механических агрегатов тепловоза. При этом эффективность охлаждения тормозных резисторов очень низкая и не зависит от электрической нагрузки и интенсивности работы тормозных резисторов, что приводит к их перегреву и снижению надежности работы тепловоза.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение заключается в улучшении эксплуатационных характеристик тепловоза, повышении функциональной безопасности и надежности за счет использования модульной структуры, разработки и внедрения качественно новых устройств управления, совершенствования системы диагностики и ремонта, повышения эффективности охлаждения тормозных резисторов.
Данная задача решается за счет того, что система микропроцессорная управления и диагностики тепловоза состоит из блока регулирования и контроля, а также комплекта периферийных блоков, соединенных с блоком регулирования и контроля с помощью кабелей. В состав блока регулирования и контроля входят блок питания с блоком вентиляторов, микропроцессорный блок обработки данных и формирования команд управления оборудованием тепловоза в соответствии с заложенным в него алгоритмом и интерфейсный блок, содержащий устройства ввода/вывода дискретных сигналов, устройство ввода/вывода аналоговых сигналов и устройство ввода частотных сигналов. Комплект периферийных блоков содержит:
- дисплейный модуль, предназначенный для отображения в режиме реального времени рабочих параметров систем тепловоза, получаемых от блока регулирования и контроля, для архивации параметров тепловоза, а также для определения географических координат, текущего времени и вектора скорости тепловоза по сигналам глобальных навигационных систем;
- блок контроллера машиниста, предназначенный для формирования и подачи в блок регулирования и контроля команд управления движением тепловоза;
- блок вспомогательной индикации для отображения служебной информации в виде мнемознаков по командам от блока регулирования и контроля;
- ключ регулирования возбуждения для регулирования тока в обмотке возбуждения тягового генератора тепловоза в соответствии с уровнем входного управляющего напряжения от блока регулирования и контроля;
- преобразователь напряжения, предназначенный для формирования напряжений питания для счетчика моточасов, двигателей стеклоочистителя и стеклоомывателя по команде блока регулирования и контроля;
- блок регулятора напряжения для стабилизации напряжения вспомогательного генератора тепловоза по команде блока регулирования и контроля;
- блок регулятора электрического торможения, предназначенный для работы в режимах электрического торможения тяговых электродвигателей тепловоза по команде блока регулирования и контроля;
- инвертор напряжения, предназначенный для преобразования входного постоянного напряжения, поступающего на тормозные резисторы от тяговых электродвигателей, работающих в момент электрического торможения в генераторном режиме, в трехфазное переменное напряжение с изменяющейся пропорционально величине входного напряжения частотой для питания вентилятора охлаждения тормозных резисторов, повышая эффективность охлаждения тормозных резисторов при увеличении их электрической нагрузки во время интенсивного торможения.
Система представляет собой распределенную систему с открытой модульной архитектурой и возможностью использования в различных конфигурациях в зависимости от локомотива.
Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, заключается в повышении экономичности и в улучшении эксплуатационных характеристик тепловоза за счет повышения функциональной безопасности, надежности и совершенствования системы управления и диагностики, снижения затрат на ремонт.
Устройство системы микропроцессорной управления и диагностики тепловоза, а также ее функционирование в составе электрического оборудования тепловоза поясняется структурной схемой.
В состав системы микропроцессорной управления и диагностики тепловоза входят следующие блоки:
- блок регулирования и контроля (БРК) 1, в состав которого входят блок питания 2, блок вентиляторов 3, микропроцессорный блок обработки данных и формирования команд управления 4 оборудованием тепловоза в соответствии с заложенным в него алгоритмом и интерфейсный блок 5, содержащий устройства ввода/вывода дискретных сигналов 6, устройство ввода/вывода аналоговых сигналов 7 и устройство ввода частотных сигналов 8 от датчиков электрического оборудования 9 тепловоза;
- дисплейный модуль (ДМ) 10, предназначенный для отображения в режиме реального времени рабочих параметров систем тепловоза, полученных от блока регулирования и контроля, для архивации параметров тепловоза, а также для определения географических координат, текущего времени и вектора скорости тепловоза по сигналам глобальных навигационных систем с помощью встроенного блока навигационного приемника;
- блок контроллера машиниста (БКМ) 11, предназначенный для формирования и подачи в блок регулирования и контроля команд управления движением тепловоза;
- блок вспомогательной индикации (БВИ) 12 для отображения служебной информации в виде мнемознаков по командам от блока регулирования и контроля;
- ключ регулирования возбуждения (КРВ) 13 для регулирования тока в обмотке возбуждения тягового генератора тепловоза в соответствии с уровнем входного управляющего напряжения от блока регулирования и контроля;
- преобразователь напряжения (ПН) 14, предназначенный для формирования напряжений питания для счетчика моточасов, двигателей стеклоочистителя и стеклоомывателя по команде блока регулирования и контроля;
- блок регулятора напряжения (БРН) 15 для стабилизации напряжения вспомогательного генератора тепловоза по команде блока регулирования и контроля;
- блок регулятора электрического торможения (РЭТ) 16, предназначенный для работы в режимах электрического торможения тяговых электродвигателей тепловоза по команде блока регулирования и контроля;
- инвертор напряжения (ИН) 17, предназначенный для преобразования постоянного напряжения, поступающего на тормозные резисторы 18 от тяговых электродвигателей 19, работающих в момент электрического торможения в генераторном режиме, в трехфазное переменное напряжение с изменяющейся пропорционально величине входного напряжения частотой для питания вентилятора охлаждения тормозных резисторов 20, повышая эффективность охлаждения тормозных резисторов при увеличении их электрической нагрузки во время интенсивного торможения.
Система микропроцессорная управления и диагностики работает следующим образом: информационные сигналы о состоянии и режимах работы узлов и агрегатов объектов регулирования тепловоза в виде дискретных, аналоговых и частотных сигналов от датчиков температуры, давления, скорости, частоты вращения дизеля и других датчиков из состава электрического оборудования 9 тепловоза через устройства ввода/вывода дискретных 6, аналоговых 7 и частотных 8 сигналов из состава интерфейсного блока 5 БРК 1 поступают на микропроцессорный блок обработки данных и выдачи команд 4 и ДМ 10, функционирующих по алгоритму, заданному специальным программным обеспечением. В микропроцессорном блоке 4 проводится соответствующая обработка полученной информации и формирование выходных управляющих команд, которые через устройства ввода/вывода дискретных 6 и аналоговых 7 сигналов подаются на органы управления объектов регулирования тепловоза 9, БКМ 11, КРВ 13, ПН 14, БРН 15, РЭТ 16 и диагностирующих сигналов, которые поступают на ДМ 10 и БВИ 12 для визуального отображения. Это позволяет проводить управление и регулирование режимов работы основного и вспомогательного оборудования тепловоза, а также выполнять функции бортового диагностического устройства с возможностью сбора и регистрации информации. Питание устройств, входящих в БРК 1, осуществляется блоком питания 2, охлаждаемого блоком вентиляторов 3. РЭТ 16 обеспечивает электрическое торможение тяговых электродвигателей тепловоза 19 по командам от БРК 1 путем широтно-импульсного регулирования транзисторными ключами тока якорных обмоток двигателей 19, работающих в момент торможения в генераторном режиме и подключенных к тормозным резисторам 18. Охлаждение тормозных резисторов 18 осуществляется вентилятором 20, питание на который подается ИН 17, преобразующим постоянное напряжение на тормозных резисторах 18 в трехфазное переменное напряжение с изменяющейся пропорционально входному напряжению частотой, тем самым повышая эффективность охлаждения тормозных резисторов при увеличении их электрической нагрузки во время интенсивного торможения.
Конструктивно система выполнена в модульном исполнении, при этом все периферийные блоки соединены с блоком регулирования и контроля с помощью кабелей, что облегчает выполнение монтажа оборудования на тепловозе, поиск неисправности и ремонт в случае выхода из строя в процессе эксплуатации.
Реализованная система микропроцессорная управления и диагностики тепловоза обеспечивает прием дискретных сигналов от электрооборудования локомотива по 175 каналам, прием аналоговых сигналов от датчиков и преобразователей по 31 каналу, частотных сигналов по 4 каналам, а также выдачу управляющих дискретных выходных сигналов по 145 каналам и аналоговых сигналов для управления возбуждением тяговых электродвигателей по 2 каналам, что позволяет проводить управление и регулирование режимов работы основного и вспомогательного оборудования тепловоза и выполнять функции бортового диагностического устройства с возможностью сбора и регистрации информации.
Программное обеспечение блока регулирования и контроля БРК и дисплейного модуля ДМ системы имеет несколько модификаций, учитывающих конструктивные особенности различных типов тепловозов.
Габаритные и установочные размеры блоков позволяют устанавливать их на различные типы тепловозов. Все блоки конструктивно представляют собой окрашенные металлические корпуса с установленными в них печатными платами из стеклотекстолита.