Оптико-электронное запорно-пломбировочное устройство (ОЭ ЗПУ) для цистерн с жидким хлором

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для запирания и пломбирования вагонов-цистерн, цистерн-контейнеров и крытых вагонов, предназначенных для транспортировки жидкого хлора и подлежащих пломбированию в соответствии с [1 и 2], а также к устройствам определения координат, температуры, превышения заданных значений ускорений и предотвращения несанкционированного доступа к перевозимому грузу через запираемые и пломбируемые двери, люки, заливные горловины, сливные и дренажные отверстия, а так же к автоматическим детекторам превышения предельно допустимой концентрации хлора при его транспортировке и хранении.
Уровень техники
Известно гибкое запорно-пломбировочное устройство (ЗПУ), разрешенное к применению [1] для пломбирования специализированных цистерн с газом (в том числе и жидким хлором) - патент на полезную модель RU 106 643 U, которое содержит полый корпус и отрезок каната, один конец которого является пассивным, а второй свободный конец при запирании протягивается через входное и выходное отверстия и расположенный между ними пропускной канал с образованием петли и фиксируется в нем при замыкании посредством механизма запирания, выполненного в виде размещенных в подпружиненном сепараторе фиксирующих элементов. При этом пружина запирания надета на втулку, выполненную за одно целое с нижней крышкой, жестко соединенной с корпусом посредством завальцовки, имеющую дренажную систему для отвода жидкости из полости корпуса. Дренажная система выполнена в виде дренажного отверстия, расположенного в нижней части втулки, сообщающегося с выходным отверстием. На нижней крышке перпендикулярно оси дренажного отверстия выполнена отводная канавка, которая улучшает отвод жидкости из внутренней полости корпуса.
Известен электронный модуль запорно-пломбировочного устройства, патент на полезную модель RU 171 439 U9, который относится к пломбированию грузов и может быть использован для запирания и пломбирования дверей, контейнеров, люков цистерн, штурвалов вагонов-хопперов и направлен на повышение надежности пломбирования за счет передачи информации о вскрытии пломбировочного устройства в режиме реального времени. Электронный модуль, который навешивается на ЗПУ в качестве отдельного устройства, содержит гнездо для одноразового запорного устройства с гибким охватывающим элементом в виде троса, со сквозными каналами в корпусе модуля для пропуска троса запорного устройства в головной и хвостовой его частях. В корпусе размещены электронный блок и компоненты, обеспечивающие выполнение функций управления, контроля замыкания и размыкания троса, определения местоположения и параметров движения модуля, приема, обработки, хранения и передачи информации, выполненный с возможностью формирования электромагнитного сигнала, регистрируемого внешним приемным устройством, Электронный блок с компонентами, обеспечивающими выполнение функций управления, контроля замыкания, определения местоположения и параметров движения, приема, обработки, хранения и передачи информации, устройство контроля замыкания и размыкания троса выполнено в виде генератора импульсных сигналов и последовательно связанных между собой детектора, порогового устройства в виде аналого-цифрового преобразователя, исполнительного устройства и микропроцессора, при этом генератор импульсных сигналов и детектор соединены с взаимосвязанными катушками индуктивности на кольцевых ферритовых сердечниках. Катушки индуктивности установлены в сквозных каналах, выполненных в головной и хвостовой частях корпуса. Модуль дополнительно оснащен каналом ближней связи, взаимодействующим с приемопередатчиком и внешними датчиками, спутниковым каналом и приемником сигналов GPS/ГЛОНАСС. Полезная модель относится к пломбированию грузов и может быть использована для запирания и пломбирования дверей, контейнеров, люков цистерн, штурвалов вагонов-хопперов и т.п.
Известно электронное пломбировочное устройство многоразового действия (ЭПУ МД), выбранное в качестве прототипа, патент на изобретение RU 2 596 474 С2, которое относится к автоматическим средствам объективного контроля состояния материальных ценностей и их пломбирования, при их хранении и транспортировке: фиксации и индикации открытия запорных узлов и механизмов в местах их расположения, с передачей данных посредством цифровых каналов радиосвязи на пункт контроля с целью фиксации и документирования несанкционированного или аварийного срыва ЭПУ МД; приведения в действие ЭПУ МД, вскрытия, нарушения его целостности с определением местоположения и времени произошедшего события; фиксации и документирования нарушения технологии их транспортировки и хранении в части измерения превышений допустимых ударных и вибрационных ускорений, а так же температурных воздействий (средствами измерений, включенными в государственный реестр); определении с заданной периодичностью состояния опломбированных объектов с автоматическим учетом их истинного местоположения, контроля взаимного удаления пломбируемых объектов, взаимного удаления частей опломбированного объекта, например составных частей железнодорожных вагонов (колесных пар, боковых рам и надрессорных балок тележек, автосцепных устройств и пр.), строительной техники (например, экскаватор и навесное оборудование) и пр. с целью фиксации и документирования фактов несанкционированного их разукомплектования; а так же с целью предотвращения несанкционированного пользования опломбированными объектами посторонними лицами, сигнализации о произошедших событиях, с автоматической передачей данных на пункт контроля, подписанных электронно-цифровой подписью (или зашифрованных с применением методов и алгоритмов ассиметричного шифрования), с использованием цифровых каналов радиосвязи и документирования фактов незаконного использования. Кроме того, ЭПУ МД предназначены для: передачи данных посредством встроенного радиочастотного канала на средства, обеспечивающие ретрансляцию сигналов на пункт контроля (например, с применением спутников связи и пр.); для организации приема данных по радиочастотному каналу от сторонних средств измерений (газоанализаторы и пр.), с целью их дальнейшего шифрования или установки электронной подписи с дальнейшей передачей данных на пункт контроля с определением и регистрацией времени и местоположения измеренного параметра. На ЭПУ МД предусмотрена процедура формирования универсального передаточного документа (УПД) бухгалтерской отчетности в момент нарушения его целостности при прибытии груза в пункте назначения. ЭПУ МД могут применять в качестве навесных электронных сейфовых замков.
Для контроля одного элемента запирания используется одно ЭПУ МД, для контроля более одного элемента запирания используются либо несколько ЭПУ МД, либо связка из ЭПУ МД и хотя бы одного упрощенного ЭПУ МД - вспомогательного электронного пломбировочного устройства (ЭПУ).
ЭПУ МД содержит один источник модулированного оптического излучения, один приемник оптического излучения, которые последовательно замыкает одноразовый силовой оптико-электронный крепеж (ОСОЭК), запорный механизм, запирающий ОСОЭК с двух сторон (откидывающаяся крышка фиксации), канал связи радиочастотной идентификации частотного диапазона 13,56 МГц, 2 геркона защищенных от воздействия внешнего магнитного поля стальными пластинами, 2 полевых N (Р) канальных транзистора, дополнительный геркон, устанавливаемый в непосредственной близости от антенны радиочастотной идентификации на частоте 13,56 МГц, источник электрического питания во взрывобезопасном исполнении, термостат внешний, микросхему асимметричного шифрования, запоминающее устройство, средство хранения пломбировочной информации, микропроцессор, датчик измерения ускорений по трем осям, датчик измерения внутренней температуры со встроенным термостатом, вибрационный сигнализатор, световой сигнализатор, канал радиосвязи малого радиуса действия частотного диапазона 2.44 ГГц, канал связи радиочастотной идентификации диапазона частот 433 МГц, канал связи радиочастотной идентификации диапазона частот 125 и 136 кГц, канал подвижной сотовой связи (СПС), приемник радионавигационных сигналов систем ГЛОНАСС/GPS с антенным блоком. Электронные компоненты ЭПУ МД закладываются в радиопрозрачный корпус во взрывобезопасном исполнении с заданным электрическим сопротивлением поверхности оболочки и полностью заливаются компаундом, на корпусе предусмотрен магнитный крепеж. ОСОЭК выполнен из полиуретана, в своем теле содержит: метку радиочастотной идентификации на частоте 13,56 МГц, оптические световоды или волокна торцевого свечения со сквозным выходом наружу по торцам; имеет углубления на своей оболочке под крепеж. На поверхность ОСОЭК нанесена служебная информация.
Вспомогательное ЭПУ отличается от ЭПУ МД тем, что не содержит в своем составе приемник радионавигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS с антенным блоком, а так же СПС (GSM) радиомодем с антенным блоком.
ЭПУ МД или вспомогательное ЭПУ считаются открытым или с нарушенной целостностью при отсоединении ОСОЭК, физическом их разрушении, отключении электрического питания, несанкционированном открытии откидывающейся крышки фиксации ОСОЭК в теле ЭПУ, а так же срабатывании дополнительного геркона контроля внесения ЭПУ в мощное магнитное поле, преодолевшее стальную магнитную защиту ЭПУ МД; при нанесении им повреждений, влияющих на их работоспособность, а так же при потере связи между ЭПУ МД и хотя бы одним вспомогательным ЭПУ активированным с ним. Управление ЭПУ МД осуществляется посредством сервера пункта контроля с применением электронной цифровой подписи (посредством асимметричного шифрования). Технический результат достигается за счет комплексного применения современных вычислительных средств и современной радиоэлектронной элементной базы.
Недостатками гибкого ЗПУ (патент на полезную модель RU 106 643 U) являются:
Усилие на разрыв растягиванием 3.6кН, отсюда узкая специализация (применение только на цистернах), т.е. невозможно его применить на крытых вагонах, где ЗПУ должно выдерживать усилие на разрыв в 25кН [3].
Отсутствие возможности в режиме реального времени контролировать целостность (вскрыли его или нет), поэтому требуется наличие проводников в грузовых поездах, транспортирующих жидкий хлор.
Отсутствие возможности определять утечки хлора, поэтому требуется наличие проводников в грузовых поездах, транспортирующих жидкий хлор.
Отсутствие возможности определять координаты опломбированных цистерн и вагонов, поэтому требуется наличие проводников в грузовых поездах, транспортирующих жидкий хлор.
Отсутствие возможности определять нарушение условий транспортировки жидкого хлора в части измерения превышений заданных ускорений, поэтому требуется наличие проводников в грузовых поездах, транспортирующих жидкий хлор.
Отсутствие возможности определять нарушение температурных условий транспортировки жидкого хлора, поэтому требуется наличие проводников в грузовых поездах, транспортирующих жидкий хлор.
Недостатками электронного модуля ЗПУ (патент на полезную модель RU 171 439 U9) являются:
Не является ЗПУ, поэтому показания данного изделия не имеют юридической значимости, т.е. при любом его повреждении или срабатывании требуется прибытие людей для оформления причин срабатывания электронного модуля ЗПУ, поэтому требуется наличие проводников в грузовых поездах, транспортирующих жидкий хлор.
Отсутствие возможности определять утечки хлора, поэтому требуется наличие проводников в грузовых поездах, транспортирующих жидкий хлор.
Оболочка электронного модуля ЗПУ не является герметичной и электронные компоненты в хлорной среде выходят из строя.
Корпус электронного модуля ЗПУ не способен выдержать удар от падения на ровный бетонный пол или стальной лист толщиной 3 мм с высоты 3.3 м [5].
При проведении испытаний на разрыв совместно с ЗПУ с усилием на растяжение в 3.6кН происходит излом пластикового корпуса и электронный блок отрывается от ЗПУ, т.е. невозможно пройти сертификационные испытания для получения разрешения к применению на цистернах и вагонах с жидким хлором.
Недостатками ЭПУ МД (патент на изобретение RU 2 596 474С2) являются:
Полиуретановый канат ОСОЭК (фиг. 4) не способен выдержать воздействие силы на разрыв даже в 3.6кН, т.е. его применение на сети железных дорог без дополнительного ЗПУ невозможно.
Отсутствуют ЗПУ, разрешенные к применению на сети железных дорог совместно с ЭПУ МД.
Корпус ЭПУ МД не способен выдержать удар от падения на ровный бетонный пол или стальной лист толщиной 3 мм с высоты 3.3 м [5] без повреждения ведущего к раскрытию элемента запирания каната.
Избыточный набор функций и реализующих их набор электронных компонентов для решения задачи по автоматизации процесса контроля за транспортировкой жидкого хлора.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является устранение указанных недостатков.
Технический результат
Техническим результатом заявленной полезной модели является возможность:
1. Применять ОЭ ЗПУ вместо механического ЗПУ при пломбировании вагонов-цистерн, цистерн-контейнеров и крытых вагонов, предназначенных для транспортировки жидкого хлора и подлежащих пломбированию в соответствии с [1 и 2].
2. Перевести контроль за транспортировкой жидкого хлора из дискретного режима (только во время остановок и стоянок поездов) проводниками предприятий хлорной промышленности, в режим постоянный и непрерывный из диспетчерских центров, за счет применения автоматических устройств контроля, интегрированных в ОЭ ЗПУ и каналов радиосвязи подвижной сотовой связи.
3. Определять в режиме реального времени или с заданной периодичностью температуру окружающей среды при транспортировке и хранении жидкого хлора в цистернах и вагонах.
4. Определять в режиме реального времени или с заданной периодичностью координаты жидкого хлора в цистернах и вагонах.
5. Сообщать в диспетчерский центр измеренные данные о превышении допустимых ускорений, при их возникновении, на вагоне или цистерне с жидким хлором.
6. Оперативно сообщать в диспетчерский центр юридически значимые данные о нарушении целостности пломбы, на вагоне или цистерне с жидким хлором.
7. Сообщать в диспетчерский центр измеренные данные о превышении предельно допустимой концентрации хлора в воздухе в непосредственной близости с ОЭ ЗПУ, при возникновении чрезвычайной ситуации на вагоне или цистерне с жидким хлором.
Задача полезной модели
Отмена порочной практики сопровождения транспортировки жидкого хлора проводниками предприятий в составе грузовых поездов и немедленное реагирование МЧС и специальных служб предприятий хлорной промышленности на возникновение чрезвычайных ситуаций, связанных с выбросами хлора при его транспортировке и в местах временного хранения. Т.е. полезная модель направлена на сохранение жизни и здоровья людей.
Сущность полезной модели
Обеспечение указанного технического результата достигается за счет того, что в изобретение прототип RU 2 596 474 С2 внесли существенные изменения, оставив лишь следующие необходимые для реализации полезной модели элементы:
1. Отказались от применения плоского полиуретанового каната с интегрированным в него одномодовым или многомодовым световолокном торцевого свечения. Вместо этого применили стальной оцинкованный круглопрядный канат с внешним диаметром 4.9 мм с интегрированным в него одномодовым пластиковым световолокном торцевого свечения в полиэтиленовой оболочке.
2. На стальной канат надели полиуретановую трубку для предотвращения перетирания, а значит и повреждения в агрессивной хлорной среде цинкового покрытия проволок стального круглопрядного каната.
3. На стальной канат надели по торцам по две стальные трубки (фигура 1), удаленные друг от друга на 15 мм и длиной не более 20 мм с толщиной стенки 2 мм и обжали на прессе, получив внешний диаметр трубок менее 8.2 мм. Тем самым был получен крепеж, который позволил получить возможность создать элементы фиксации стального каната в корпусе ОЭ ЗПУ, обеспечив его удержание в замкнутом состоянии ОЭ ЗПУ при проведении испытаний на разрыв с усилием 25кН.
4. Отказались от применения технологии изготовления корпусов ОЭ ЗПУ методом литья пластика под давлением в термопласт автоматах. Это связанно с тем, что общий парк цистерн (цистерн-контейнеров, вагонов-цистерн), предназначенных для транспортировки хлора в РФ мал и требуется выпуск всего чуть более 2 тыс. ОЭ ЗПУ на 12 лет их эксплуатации. А значит, разработка специализированных пресс-форм для термопласт-автоматов приведет к существенному удорожанию конечных ОЭ ЗПУ. Хлор - социально значимый продукт, от которого напрямую зависит стоимость питьевой воды в РФ, поэтому необходимо стремится к снижению стоимости ОЭ ЗПУ при их серийном производстве. Корпуса ОЭ ЗПУ должны изготавливаться посредством аддитивных технологий.
5. Аддитивный метод не позволяет использовать негорючий радиопрозрачный пластик корпуса с заданным электрическим сопротивлением поверхности его оболочки. Поэтому вместо данного вида пластика применили полиамид 12 и покрасили его специализированным негорючим радиопрозрачным составом с заданным электрическим сопротивлением поверхности его оболочки.
6. Специализированное покрытие, внешне напоминающее краску, не позволила применить маркировку методом лазерной гравировки на ее поверхности, т.к. покрытие не поддерживает горение при любых внешних температурах. Кроме того, данное покрытие пластика корпуса не позволило нанести маркировку и ударным методом. Поэтому на полиуретановой трубке стального круглопрядного каната лазерным гравером наносится маркировка, которая затем заполняется акриловой краской с добавлением порошка антистокса, а на стальных трубках каната ударным методом наносится дополнительная гравировка, т.к. этого требует [2]. Антистокс дает свечение зеленого цвета при его освещении лазером с длиной волны 980Нм, что реализовано для защиты от подделки элементов ОЭ ЗПУ.
7. Для фиксации стального круглопрядного каната внутри корпуса ОЭ ЗПУ применили две стальные оцинкованные пластины толщиной 4 мм со специальными вырезами под стальные трубки. Стальные пластины имеют изгибы, позволяющие зафиксировать в них стальные канаты двумя болтами с диаметром резьбы М6 (фигура. 1). Стальные пластины, стянутые болтами и гайками М6 обеспечивают сохранность неразъемность запертого внутри них стального каната со стальными трубками при проведении испытаний на разрыв, а также при проведении ударных испытаний в соответствии с [2]: выдерживать трехкратное ударное воздействие с энергией, равной 100 Дж и оставаться в неразомкнутом состоянии при однократном ударном воздействии с энергией, равной 200 Дж.
8. Для удешевления стоимости изготовления специализированной электронной составляющей (печатных плат с электронными компонентами) в ОЭ ЗПУ отказались от ее изготовления, т.е. отказались от применения:
канала связи радиочастотной идентификации частотного диапазона 13,56 МГц,
3 герконов,
2 полевых N (Р) канальных транзисторов,
микросхемы асимметричного шифрования,
вибрационного сигнализатора,
канала радиосвязи малого радиуса действия частотного диапазона 2.44 ГГц,
канала связи радиочастотной идентификации диапазона частот 433 МГц,
канала связи радиочастотной идентификации диапазона частот 125 и 136 кГц,
метки радиочастотной идентификации.
9. Применили блочную конструкцию, состоящую из:
Специально запроектированного вторичного источника тока, обеспечивающего электрическим питанием все электронные компоненты ОЭЗПУ.
Покупного элемента в виде печатной платы с установленными радиоэлементами: Коммуникационный ГЛОНАСС/GPS интерфейсный модуль определения местоположения, измерения температуры и превышений заданных ускорений с GSM каналом передачи данных (обычное устройство слежения за колесными транспортными средствами) со световой сигнализацией, с тремя дискретными входами, микросхемой памяти для входящих и исходящих сообщений, а также микросхемой, заменяющей Sim карту. Об изменении состояний дискретных входов незамедлительно передаются сообщения по радиоканалу подвижной сотовой связи в диспетчерский пункт.
Специально запроектированного модуля контроля целостности троса построенного на применении фототранзистора, светодиода, управляющей программируемой микросхемы и реле для передачи данных о своем состоянии на дискретный вход коммуникационного ГЛОНАСС/GPS интерфейсного модуля. При прерывании светового потока реле размыкается и на дискретный вход коммуникационного ГЛОНАСС/GPS интерфейсного модуля подается сигнал о нарушении целостности ОЭ ЗПУ.
Покупного элемента в виде сменного детектора хлора (рассчитан на 2 года работы), который при превышении предельно допустимой концентрации хлора в воздухе замыкает реле своей управляющей электроники для передачи данных о своем состоянии на дискретный вход коммуникационного ГЛОНАСС/GPS интерфейсного модуля.
Покупного элемента в виде контактной кнопки, при ее замыкании (закрытии крышки ЭО ЗПУ при пломбировании) происходит замыкание дискретного входа коммуникационного ГЛОНАСС/GPS интерфейсного модуля и электрической схемы модуля контроля целостности троса, тем самым включая его в работу. Размыкание кнопки приводит к отключению модуля контроля целостности троса и передачи на дискретный вход коммуникационного ГЛОНАСС/GPS интерфейсного модуля сообщения о нарушении целостности ОЭ ЗПУ.
10. Отказались от применения источника электрического питания во взрывобезопасном исполнении, т.к. хлор не горит и не взрывается от внешнего воспламенителя. Вместо взрывобезопасных источников тока применили литий-марганцевые первичные неперезаряжаемые источники тока. Первичные источники тока сменные, они закрываются крышкой на болтах с применением резиновой прокладки, сами первичные источники тока заливаются специализированной смазкой для электрических контактов для предотвращения их окисления в хлорной среде.
11. Оставили заполнение корпуса компаундом, т.к. необходимо не допустить проникновение хлора на электрические схемы ОЭ ЗПУ.
12. Один конец стального каната фиксируется в корпусе посредством специальной прижимной пластины и двух винтов, тем самым стальной канат не выпадает из корпуса, что облегчает процесс пломбирования.
13. Корпус ОЭ ЗПУ закрывается двумя пластиковыми стопорными крышками с интегрированными в них гайками М6. Корпус раскрывается для извлечения стального каната при их разрушении.
14. ОЭЗПУ демонтируется с объекта пломбирования перекусыванием стального каната тросорезом.
Список литературы:
1. Перечень типов запорно-пломбировочных устройств, применяемых для пломбирования вагонов и контейнеров при перевозках грузов, осуществляемых ОАО "РЖД", утвержден распоряжением ОАО «РЖД» от 25 декабря 2007 г. №2423р (В ред. Распоряжений ОАО "РЖД" от 04.02.2010 г. N 241р, от 29.06.2010 N 1402р).
2. Правила безопасности для производства, хранения и транспортирования хлора. ПБХ-83.
3. Общие требования к запорно-пломбировочным устройствам механическим, применяемым для пломбирования грузовых вагонов и контейнеров на железнодорожном транспорте Российской Федерации (утв. МПС РФ 25 июня 2003 г.).
4. Распоряжение ОАО «РЖД» от 8 июня 2018 г. №1221/р Об утверждении дополнений в перечень типов ЗПУ, применяемых для пломбирования вагонов и контейнеров при перевозках грузов, осуществляемых ОАО "РЖД", утвержденный распоряжением ОАО "РЖД" от 25 декабря 2007 г. №2423р.
5. ГОСТ Р 5557.3-2013 (ИСО 18185-3:2007) Контейнеры грузовые. Пломбы электронные. Часть 3. Характеристика окружающей среды.
Краткое описание рисунков
Фиг. 1. Гибкое ЗПУ.
Фиг. 2. Электронный модуль ЗПУ.
Фиг. 3. Электронное пломбировочное устройство многоразового действия с дополнительным запорным пломбировочным устройством.
Фиг. 4. Одноразовый силовой оптико-электронный крепеж.