МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ И ДИАГНОСТИКИ ЛОКОМОТИВА С ГИБРИДНЫМ ПРИВОДОМ

Полезная модель относится к многофункциональным средствам управления и обеспечения безопасности железнодорожных тяговых транспортных средств, предназначенных, преимущественно, для маневрово-вывозных работ, в частности к микропроцессорным системам управления и диагностики локомотива с гибридным приводом.
Известно, что локомотивы, предназначенные для маневрово-вывозных работ, часто останавливаются и трогаются с места, и очень большой процент времени их двигатели работают на холостом ходу, впустую расходуя топливо и совершая большое количество вредных выбросов. Самым распространенным локомотивам такого назначения уже по 30 - 50 лет.
Рынок новых локомотивов в настоящий момент расширился, демонстрируя все новые концепты, а микропроцессорные системы управления, являющиеся мозгом нового поколения локомотивов, требуют все большего расширения функций, позволяющих осуществлять управление новыми моделями, такими как, например, локомотив с интеллектуальным асинхронным гибридным приводом.
Из уровня техники известно техническое решение «Микропроцессорная система управления (МПСУ-ТП) модернизированного тепловоза 2ТЭ116КМ» (ж. «Современные технологии автоматизации», 2004, №3, с.46-52).
МСПУ - ТП состоит из следующих конструктивно законченных функциональных частей:
- устройства обработки информации (УОИ) (рис.2);
- дисплейного модуля (ДМ) GercomC820 (Германия);
- силового шестиканального управляемого выпрямительного модуля М_ТПП_3600 У2 (УВМ) (рис.3);
- измерителя температурного (ИТ);
- двух вольтодобавочных устройств (ВДУ);
- двух блоков питания преобразователей частоты (БППЧ);
- блока включателей тиристоров управляемого выпрямителя возбуждения (БВТ УВВ);
- контроллера машиниста (К М) Lekovl KRD 40 (Чехия);
- комплекта датчиков и преобразователей.
Также на тепловозе установлен электронный регулятор частоты вращения коленчатого вала дизеля, связь которого с устройством обработки информации МПСУ - ТП осуществляется по последовательному каналу.
Дисплейный модуль и контроллер машиниста располагаются на пульте управления (рис.4). Аналоговые и частотные сигналы, полученные с борта тепловоза, анализируются системой допускового контроля. Результатом анализа является расчет отклонения измеренной величины от значения, оговоренного в ТУ на данный параметр. На панель выводится соответствующий комментарий (норма, меньше нормы, больше нормы). При обнаружении отклонений в работе тех или иных агрегатов тепловоза выводится аварийное сообщение на дисплей машиниста, которое снимается кнопкой квитирования.
Недостатком известной системы является ограниченная функциональность, а именно:
- отсутствие технических возможностей для экономии энергоресурсов с учетом профиля пути, что не позволяет эффективно использовать различные режимы работы локомотива с гибридным приводом. Использование различных режимов работы локомотива должно обеспечивать эффективный расход топлива, а также снижение показателей загрязнения окружающей среды;
- отсутствие возможности регистрации данных о нахождении локомотива;
- нет возможности накапливать статистические данные для создания алгоритмов работы локомотива в тех или иных условиях, например, при работе в закрытых цехах или на территориях, где существует ограничение по шуму;
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является микропроцессорная система управления и диагностики локомотива (патент RU 116114 U1, класс МПК B61L 29/00, опубликован: 20.05.2012). Микропроцессорная система управления и диагностики локомотива (МПСУиД) по вышеупомянутому патенту содержит мониторный блок (МБ), предназначенный для диагностики систем и аппаратов локомотива, а также всех блоков МПСУиД, сохранения параметров, просмотра текущей информации об измеряемых параметрах локомотива и аварийных сообщений, а также для просмотра архива сохраненных параметров. Блок центрального вычислителя (БЦВ), предназначен для выполнения алгоритмов управления системой, для обмена по интерфейсу между блоками, а также для обеспечения связи отдельных секций для работы локомотива по системе многих единиц. Блоки управления контакторами (БУК), являющиеся блоками выходных сигналов, предназначены для управления электромагнитными и электропневматическими клапанами локомотива, в соответствии с управляющими сигналами БЦВ, и диагностики включаемых аппаратов. Блоки связи с пультом (БСП) предназначены для обработки сигналов, поступающих от органов управления локомотива, и обеспечения информационного обмена по интерфейсу с БЦВ. Блоки БСП подключены к линии связи и снабжены CAN - интерфейсом для связи с внешними устройствами.
Блоки входных сигналов (БВС) предназначены для ввода в систему дискретных сигналов от цепей управления локомотивом. Блок управления возбуждением (БУВ), предназначен для измерения частоты вращения коленчатого вала дизеля по сигналу тахогенератора дизеля, для формирования напряжения возбуждения тягового генератора с помощью управления тиристорами управляемого выпрямителя. Преобразователи напряжения в код (ПНКВ) предназначены для преобразования постоянного напряжения в цифровой формат и передачи по интерфейсу результатов измерений. Блоки ПНКВ связаны по отдельным последовательным каналам через БУВ с БЦВ для сбора и передачи данных с ПНКВ в БЦВ.
Блок связи с датчиками давления (БС-ДД), предназначен для преобразования сигналов с датчиков напряжения, установленных на локомотиве, в последовательный код и передачи их по интерфейсу в БЦВ, а также для измерения величины сопротивления изоляции цепей управления относительно корпуса локомотива и обеспечения диагностики подключенных датчиков. Блоки связи с токовыми датчиками давления (БС-ДД-Т), предназначены для преобразования сигналов с датчиков давления и температуры, установленных на локомотиве, в последовательный код и передачи его по интерфейсу в БЦВ, а также для обеспечения питания датчиков и диагностики нарушений их работы. Блок связи с датчиками пути скорости (БС-ДПС-БЗС), предназначенный для преобразования импульсного сигнала с датчика пути скорости в цифровой код и передачи обработанных сигналов в БЦВ. МПСУиД содержит устройство взаимодействия с локомотивом посредством цифровой технологической радиосвязи (СВЛ-ТР), а также регулятор электрического тормоза (РЭТ) для обеспечения торможения локомотива с постоянным тормозным усилием вплоть до достижения скорости 2 км/ч. Кроме того, МПСУиД содержит блок индикации (БИ), предназначенный для отображения режимов работы силовой схемы локомотива и аварийных сигналов. Все блоки и устройства, входящие в МПСУиД, распределены группами по отсекам локомотива и связаны между собой в сеть по последовательному дублированному интерфейсу. Группа блоков БВС, устройство взаимодействия с локомотивом посредством цифровой технологической радиосвязи СВЛ - ТР, группа блоков БУК, блок связи с датчиками пути скорости БС-ДПС-БЗС, блоки преобразователей напряжения в код ПНКВ смонтированы в высоковольтной камере локомотива.
Группа блоков управления контакторами БУК, группа блоков входных сигналов БВС, блок связи с датчиками давления токовыми БС-ДД-Т, блок связи с датчиками давления БС-ДД, блок управления возбуждением БУВ смонтированы в дизельном отсеке локомотива.
Блок связи с пультом БСП, группа блоков входных сигналов БВС, группа блоков связи с датчиками давления токовыми БС-ДД-Т, мониторный блок МБ смонтированы на основном пульте управления локомотива.
Блок связи с основным пультом БСП, группа блоков входных сигналов БВС, группа блоков связи с датчиками токовыми БС-ДД-Т, блок индикации локомотива БИ смонтированы на вспомогательном пульте управления локомотива.
К недостаткам известного технического решения относятся ограниченные функциональные возможности микропроцессорной системы управления и диагностики, такие как:
- отсутствие технических возможностей для экономии энергоресурсов с учетом профиля пути, что не позволяет эффективно использовать различные режимы работы локомотива с гибридным приводом.
- отсутствие возможности регистрации данных о нахождении локомотива;
- отсутствие возможности накапливать статистические данные для создания алгоритмов работы локомотива в тех или иных условиях, например, при работе в закрытых цехах или на территориях, где существует ограничение по шуму.
Технической задачей заявленной полезной модели является расширение функциональных возможностей микропроцессорной системы управления и диагностики локомотива.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в известной микропроцессорной системе управления и диагностики (МПСУиД), выполненной в виде блоков и устройств, распределенных группами по отсекам локомотива, и соединенных между собой в сеть по последовательному дублированному интерфейсу, причем блоки входных сигналов (БВС), предназначенные для ввода в систему дискретных сигналов от цепей управления локомотивом, выполнены как отдельные модули, а один из них установлен в дизельном помещении, содержащей мониторный блок (МБ), установленный на основном пульте кабины машиниста и предназначенный для отображения текущей информации об измеряемых параметрах локомотива и аварийных сообщений, диагностики систем и аппаратов локомотива и всех блоков, входящих в микропроцессорную систему управления, сохранения архива параметров с возможностью его последующего просмотра, а также для обеспечения связи отдельных секций при работе локомотива по системе многих единиц, блок центрального вычислителя (БЦВ), предназначенный для выполнения алгоритмов управления системой и для обмена по интерфейсу с мониторным блоком МБ, блоки управления контакторами и пневмовентилями (БУК), предназначенные для управления электромагнитными и электропневматическими клапанами локомотива в соответствии с управляющими сигналами БЦВ и диагностики включаемых аппаратов, причем один из них установлен в дизельном помещении, блоки связи с пультом (БСП), смонтированные на основном и вспомогательном пультах и предназначенные для обработки сигналов, поступающих от органов управления локомотива, и обеспечения информационного обмена по интерфейсу с БЦВ, причем БСП дополнительно снабжены CAN - интерфейсом для связи с внешними устройствами, блоки входных сигналов (БВС), один из них установлен в дизельном помещении, блок связи с датчиками давления (БС-ДД), установленный в дизельном помещении и предназначенный для преобразования сигналов с датчиков напряжения, установленных на локомотиве, в последовательный код и передачи их по интерфейсу в БЦВ, блоки связи с токовыми датчиками давления (БС-ДД-Т), предназначенные для преобразования сигналов с датчиков давления и температуры, установленных на локомотиве, в последовательный код и передачи его по интерфейсу в БЦВ, а также для обеспечения питания датчиков и диагностики нарушений их работы, при этом один из них установлен в дизельном помещении, блок связи с датчиками пути скорости (БС-ДПС-БЗС), предназначенный для преобразования импульсного сигнала с датчика пути скорости в цифровой код и передачи обработанных сигналов в БЦВ, блок индикации локомотива (БИ), установленный на вспомогательном пульте и предназначенный для отображения режимов работы силовой схемы локомотива и аварийных сигналов, новым является то, что микропроцессорная система управления дополнительно содержит блок интеллектуального предсказания профиля пути (БИЛЛ), предназначенный для создания и сохранения профиля трасс на основе информации GLONASS/GPS, а также для оптимизации расходования энергетических ресурсов путем передачи сформированных команд в БЦВ, блок связи устройств измерения (БС-СИ), блок связи с системой микроклимата (БС-СМ), предназначенный для обеспечения двустороннего обмена данными между системой микроклимата и БЦВ, при этом блок БС-СМ связан входом-выходом с блоком связи устройств измерения (БС-СИ) по отдельному последовательному каналу связи для сбора и передачи данных в БЦВ, а также устройства управления с функцией задания бесступенчатого изменения силы тяги и торможения, блок связи «токовая петля» (БС-ТП), предназначенный для двустороннего обмена данными между БЦВ и дизелем, а также блок речевых информационных сообщений (БРИС), предназначенный для воспроизведения особо важных сообщений.
Новым является то, что блоки управления микропроцессорной системы смонтированы в отсеке чистого воздуха и в санитарно-бытовом модуле локомотива.
Новым является то, что в отсеке чистого воздуха смонтированы: группа блоков связи с датчиками давления токовыми БС-ДД-Т и группа блоков управления контакторами и пневмовентилями БУК.
Отличием является и то, что в санитарно-бытовом модуле смонтированы: блок связи с датчиками пути скорости БС-ДПС-БЗС, один из блоков входных сигналов БВС, блок связи устройств измерения БС-СИ.
Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, а именно расширение функциональных возможностей, достигается тем, что блоки БС-ДПС-БЗС, БВС, БС-СИ расположены в технологическом сегменте санитарно-бытового модуля. Технологический отсек расположен ближе всего к остальным блокам, что позволяет сократить длину жгутов, а при меньшей длине кабельной сети увеличивается надежность передачи данных от датчика БС-ДПС-БЗС. За счет оптимизации длины жгутов расширяются также функциональные возможности блока БВС, а именно: блокировка дверей модуля капота, контроль датчика дополнительной разрядки магистрали, контроль целостности тормозной магистрали, контроль датчика ручного тормоза, контроль датчика перегрева воды в умывальнике санитарно-бытового модуля. Блок связи устройств измерения, предназначенный для обработки информации, поступающей от блока связи с системой микроклимата БС-СМ, и передачи обработанной информации в БЦВ, что расширяет функциональные возможности управления микроклиматом.
МПСУиД отличается также тем, что в дизельном помещении дополнительно смонтирован блок связи с датчиками токовыми БС-ДД-Т, а также дополнительный блок управления контакторами и пневмовентилями. Отличие состоит и в том, что в дизельном помещении смонтирован блок связи «токовая петля».
Новым является то, что на основном пульте кабины машиниста локомотива дополнительно смонтирован блок интеллектуального предсказания профиля пути БИЛЛ, а также устройство управления с функцией задания бесступенчатого изменения силы тяги и торможения.
Отличие также состоит в том, что на вспомогательном пульте кабины машиниста дополнительно смонтирован блок речевых информационных сообщений (БРИС), соединенный с БЦВ через блок связи с пультом БСП. На вспомогательном пульте также смонтировано второе устройство управления с функцией задания бесступенчатого изменения силы тяги и торможения, идентичное вышеуказанному. В этом случае также решается задача расширения функциональных возможностей заявляемой полезной модели за счет того, что установка второго устройства управления на вспомогательном пульте позволяет обеспечить бесступенчатое изменение силы тяги и торможения при движении локомотива в противоположном направлении.
Новым является то, что устройства управления с функцией задания бесступенчатого изменения силы тяги и торможения выполнены в виде джойстика.
Отличием является и то, что в кабине машиниста локомотива смонтирован блок связи системы микроклимата.
Заявленное техническое решение поясняется схемой, где
1 - блок центрального вычислителя (БЦВ);
2.1, 2.2 - блоки связи с пультом (БСП);
3.1, 3.2 - блоки входных сигналов (БВС);
4 - блок связи системы микроклимата (БС-СМ);
5 - блок связи с устройствами измерения (БС-СИ);
6 - блок связи с датчиками угла поворота (БС-ДПС-БЗС);
7.1-7.4 - блоки управления контакторами и пневмовентилями (БУК);
8.1-8.4 блоки связи с датчиками давления токовыми (БС-ДД-Т);
9 - блок связи с датчиками давления (БС - ДД);
10 - блок индикации локомотива (БИ);
11 - блок связи «токовая петля» (БС-ТП);
12 - блок интеллектуального предсказания профиля пути (БИЛЛ);
13 - мониторный блок (МБ);
14 - блок речевых информационных сообщений (БРИС).
15.1, 15.2 - устройства управления с функцией задания бесступенчатого изменения силы тяги и торможения, выполненные в виде джойстика;
Микропроцессорная система управления и диагностики (МПСУиД) локомотива с гибридным приводом содержит: блок 1 центрального вычислителя (БЦВ), блоки 2.1, 2.2 связи с пультом (БСП), блоки 3.1, 3.2 входных сигналов (БВС), блок 4 связи с системой микроклимата (БС-СМ), блок 5 связи систем измерения (БС-СИ), блок 6 связи с датчиками угла поворота (БС-ДПС-БЗС), блоки 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 управления контакторами и пневмовентилями (БУК), блоки 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 связи с датчиками давления токовыми (БС-ДД-Т), блок 9 связи с датчиками давления (БС - ДД), блок 10 индикации локомотива (БИ), блок 11 связи «токовая петля» (БС-ТП), блок 12 интеллектуального предсказания профиля пути (БИЛЛ), мониторный блок (МБ) 13, блок 14 речевых информационных сообщений (БРИС), устройства 15.1, 15.2 управления с функцией задания бесступенчатого изменения силы тяги и торможения (джойстик).
Распределение блоков МПСУиД по отсекам локомотива: в отсеке чистого воздуха смонтированы блоки БУК 7.1, 7.2, БС-ДД-Т 8.1, 8.2; в дизельном помещении смонтированы: БУК 7.3, 7.4, БВС 3.1, БС-ДД-Т 8.3, 8.4, БС-ДД 9, БС-ТП 11; в санитарно-бытовом модуле смонтированы: БВС 3.2, БС-СИ 5, БС-ДПС-БЗС 6; на основном пульте кабины машиниста смонтированы блоки: БСП 2.1, МБ 13, джойстик 15.1, БИЛЛ 12; на вспомогательном пульте смонтированы блоки: БИ 10, джойстик 15.2, БСП 2.2, БРИС 14; в кабине машиниста смонтирован блок 4 БС-СМ. Все блоки системы связаны между собой по последовательному дублированному интерфейсу RS-485; блоки БСП дополнительно снабжены CAN -интерфейсом для связи с внешними устройствами; блок БС-СМ связан: входом-выходом с блоком 5 связи устройств измерения БС-СИ по отдельному последовательному каналу связи (СИ) для сбора и передачи данных в БЦВ.
Микропроцессорная система управления и диагностики обеспечивает работу локомотива с гибридным приводом в трех основных режимах управления:
«Стандартный» - в этом режиме накопитель энергии используется для компенсации мощности на вспомогательные нагрузки (при включении вентиляторов охлаждения теплоносителей дизеля, компрессора и при изменении остальных нагрузок) и рекуперации энергии торможения;
«Экологичный» - в этом режиме накопитель энергии используется для питания всех нагрузок тепловоза (тяга, вспомогательные нагрузки) и рекуперации энергии торможения. Дизель в этом режиме не используется;
«Экономичный» - в этом режиме все расчеты производит блок интеллектуального предсказания профиля пути (БИЛЛ).
Во время работы локомотива БЦВ 1 принимает от блоков БСП 2.1, 2.2 информацию о состоянии органов управления и вводит ее в систему в виде дискретных сигналов. Кроме этого, блоки БСП по CAN - интерфейсу осуществляют связь с внешними устройствами. Блоки БВС 3.1, 3.2, передают в БЦВ информацию о состоянии электрических аппаратов и дискретных датчиков. Блок 4 БС-СМ по отдельному каналу СИ через блок 5 БС-СИ принимает и передает в БЦВ информацию о состоянии системы микроклимата. БС-СИ обрабатывает информацию, поступающую от измерительной аппаратуры, и передает ее в БЦВ.
Блок БС-ДПС-БЗС 6 по дублированному интерфейсу RS-485 передает информацию о скорости и пройденном пути локомотива. На основании данной информации, а также в соответствии с заложенными алгоритмами, БЦВ вырабатывает команды для блоков БУК 7.1, 7.2, 7.3, 7.4. В соответствии с этими командами блоки БУК управляют электромагнитными и электропневматическими контакторами, а также электропневматическими клапанами локомотива. Также в БЦВ поступает информация от БС-ДД-Т 8.1,8.2, 8.3,8.4 о значении уровней датчиков температуры и давления. Блок БС-ДД 9 передает в БЦВ информацию о сопротивлении изоляции цепей управления. БС-ДД преобразовывает сигналы от 0 до 5 В в последовательный код для передачи по интерфейсу RS-485. Также БС-ДД обеспечивает диагностику подключенных датчиков. Блок 10 индикации (БИ) получает данные от блока БЦВ и, с помощью индикаторов, осуществляет вывод машинисту на вспомогательный пульт визуальной информации о текущих режимах электропередачи, номерах позиций, сигналов о скольжении колесных пар. Индикатор представляет собой пиктограмму, нанесенную на цветную пленку со светодиодной подсветкой. Размер одной пиктограммы не менее 10х10 мм, размер шрифта надписей не менее 7 мм. Предусмотрена регулировка яркости индикаторов.
Блок 11 связи «токовая петля» (БС-ТП) осуществляет двусторонний обмен данными между БЦВ и дизелем.
Для определения наиболее энергетически выгодных режимов работы гибридного привода локомотива информацию о текущих координатах, поступающую с приемника GLONASS/GPS по интерфейсу CAN, принимает блок 12 интеллектуального предсказания профиля пути (БИЛЛ). В процессе движения локомотива происходит создание массива трасс, содержащего большой объем информации, в том числе координаты начала и конца блок-участков, средние, максимальные и минимальные мощности, реализуемые на участках и пр. После статистической обработки информации БИЛЛ выдает сигналы на управление оборотами дизеля, а также зарядкой - разрядкой накопителя, т.е. перераспределяет используемые мощности дизель-генераторной установки и мощность накопителя энергии.
Мониторный блок 13 (МБ) непрерывно считывает всю информацию, присутствующую в линии обмена для сохранения данных в энергозависимую память, для отображения текущих параметров локомотива, а также предупредительных и аварийных сообщений о неисправностях оборудования Просмотр регистрируемых параметров осуществляется в виде графиков непосредственно на МБ или на стандартном компьютере с операционной системой Windows 98 и более поздних. МБ также осуществляет функцию диагностирования всех блоков МПСУиД. Вся информация выводится в графическом и текстовом виде на жидкокристаллическую панель. На дисплей постоянно выводится основная информация, необходимая для ведения поезда. Кроме того, по запросу машиниста выводится дополнительная диагностическая информация. При отказе оборудования и аварийной ситуации предусмотрен экстренный приоритетный вывод на дисплей аварийных сообщений в виде всплывающих окон. Блок 14 речевых информационных сообщений (БРИС) в дополнение к визуальной информации озвучивает наиболее важные сообщения, такие как, например, «не включение компрессора», «не включение вентилятора», «боксование осей локомотива» и пр.
Основная информация содержит: состояние контролируемого оборудования и цепей локомотива, заданный режим управления, состояние силовой схемы локомотива.
Дополнительная диагностическая информация отображает состояние цепей управления локомотива, а также заданные и фактические значения токов в каждом тяговом двигателе, заданные и фактические значения тока возбуждения, скорость локомотива, состояние каналов связи, архив сообщений, выводимых на дисплей во время работы.
Диагностические (аварийные) сообщения отображают наименование участка цепи, дату сообщения, наименование отказа или неисправности, вероятную причину отказа или неисправности и сохраняются для последующего анализа.
Устройство 15.1, (джойстик), получает команды от БЦВ и, в соответствии с командой, плавно изменяет силу тяги или торможения. Устройство 15.2, (джойстик), также плавно изменяет силу тяги или торможения по команде от БЦВ, но при движении локомотива в противоположную сторону.
БЦВ обеспечивает связь отдельных секций многосекционного локомотива по дублированному интерфейсу RS-485 через линии связи СМЕ-1 и СМЕ-2 (интерфейс с повышенным до 12 В уровнем сигнала).
Заявленная полезная модель «Микропроцессорная система управления и диагностики локомотива с гибридным приводом» успешно прошла промышленные испытания на маневрово-вывозном тепловозе ТЭМ 9Н, о чем был составлен соответствующий акт, подтверждающий промышленную применимость системы.