Автономный пункт счета осей
INDEPENDENT AXES COUNTING STATION

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики, телемеханики и связи, а именно к системам управления движением поездов на перегоне на основе счетчиков осей.
Известен автономный пункт счета осей, используемый в системах управления движением поездов, содержащий датчик деформации рельса под колесными парами подвижных единиц рельсового транспорта, связанный с пьезопреобразователем механической энергии деформации рельса в напряжение электропитания электронной схемы автономного пункта счета осей, которая содержит модуль микроконтроллерной обработки данных, связанный шиной данных с модулем радиообмена в диапазоне радиосвязи GSM данными автономного пункта счета осей с бортовыми устройствами управления проходящих через автономный пункт счета осей подвижными единицами рельсового транспорта (RU65849, B61L 25/00, 27.08.2007).
Недостатком известного устройства является ограниченность нижних рабочих температур допустимыми рабочими температурами аккумуляторных батарей.
Аппаратура автономных пунктов счета осей должна быть приспособлена к работе в районах с тяжелыми климатическими условиями. Такими условиями по ГОСТ 15150-69 (Климатическое исполнение, категория размещения) являются, например, условия для макроклиматических районов и категории размещения УХЛ 1, характерных для многих географических районов России и других мест с суровым климатом. При этих условиях рабочие температуры имеют диапазон  от -60 до +40 ºС, а предельные рабочие температуры от -70 до +45 ºС
Верхнее значение относительной влажности воздуха  достигает 100% при температуре плюс 25°С – эксплуатация на открытом воздухе с воздействием любых атмосферных факторов (дождь, ливень, снег, пыль при сильном ветре).
Аппаратура автономных пунктов счета осей должна также быть вибростойкой в соответствии с нормами для класса МС3 по ОСТ 32.146-2000.
Для всех этих условий применения практически отсутствуют или являются остродефицитными электронные элементы для накопления и хранения относительно больших запасов электрической энергии.                            В частности, эта проблема существует даже для аккумуляторных батарей и/или суперконденсаторов с электроемкостью, необходимой для осуществления радиообмена данными в диапазоне радиосвязи GSM, и/или ISM, между аппаратурой автономных пунктов счета осей и локомотивом, даже если это требуется в промежутке времени 5-10 секунд  сразу после прохождения состава его поезда чрез пункт счета осей. Требуемая электроемкость накопительных элементов должна быть более 0.5 Ф. Причем эти накопительные элементы должны быть приспособлены к коротким периодам времени неоптимальной подзарядки и длинным периодам между подзарядками, а также к большому количеству циклов неоптимального заряда и разряда с увеличенными токами утечки между зарядками. Это снижает долговечность работы таких элементов и на протяжении нормативного срока службы аппаратуры  СЦБ – 25 лет – их необходимо часто менять.
Известен автономный пункт счета осей, применяемый  в системе для определения свободности от подвижного состава участков пути на железнодорожном перегоне в качестве промежуточного пункта счета осей на перегоне. Автономный пункт счета осей содержит приемопередающий блок маломощного цифрового радиоканала с приемопередающими ISM, и/или GSM-модулями, цифровой радиосвязи с поездами, причем первый и второй входы/выходы этих приемопередающих модулей, соответственно, соединены с первым и вторым входами/выходами микроконтроллера, первый вход которого соединен с выходом датчика прохода колес подвижных единиц рельсового транспорта, при этом цепи питания приемопередающего блока и микроконтроллера подключены к выходу стабилизатора напряжения автономного источника питания, к выходу которого подключены литиевая неперезаряжаемая батарея большой электроемкости (RU2452644, B61L 21/06, 10.06.2012).
Известный автономный пункт счета осей является наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению и выбран в качестве прототипа.
Недостатком является ограничение области применения, обусловленное тем, что используемая в них литиевая батарея большой электроемкости не рассчитана на нижнюю рабочую температуру от -60 ºС. Кроме того батарея может оказаться дефицитной, поскольку ее аналоги не производятся серийно отечественной промышленностью. При применении таких батарей в перечисленных выше условиях эксплуатации на протяжении нормативного срока службы аппаратуры  СЦБ – 25 лет – будет требоваться их частая замена (чаще 1 раза в год) из-за повышенного саморазряда в условиях загрязнения и высокой влажности.
Необходимость частой замены незаряжаемых батарей увеличивает эксплуатационные расходы на периодическое обслуживание известного автономного пункта счета осей и снижает надежность его работы. Заряжаемые батареи, приспособленные для УХЛ 1, например, щелочные аккумуляторы, имеют большие габариты и вес и требуют сложных зарядных устройств и частого периодического обслуживания и замены.
Технический результат изобретения заключается в расширении области применения и снижения эксплуатационных расходов на периодическое обслуживание автономного пункта счета осей.
Технический результат достигается тем, что в автономном пункте счета осей, содержащем стационарный приемопередающий блок маломощного цифрового радиоканала ближней связи, порт управления которого соединен с портом микроконтроллера, второй порт которого через интерфейс сопряжения соединен с датчиком прохода колес подвижных единиц рельсового транспорта, при этом цепи питания стационарного приемопередающего блока маломощного цифрового радиоканала ближней связи и микроконтроллера подключены к выходу стабилизатора напряжения автономного источника питания, согласно изобретению датчик прохода колес подвижных единиц рельсового транспорта выполнен в виде магнитоуправляемого датчика, постоянный магнит которого закреплен на  подвижной зубчатой рейке, взаимодействующей через храповое колесо с механизмом преобразователя механической энергии в электрическую, выход которого подключен к стабилизатору напряжения через последовательно соединенные диодный выпрямитель, ограничитель амплитуды и фильтр, к выходу фильтра подключен модуль контроля выходного напряжения, один из выходов которого соединен с входом управления включением стабилизатора напряжения, а второй выход – соединен с входом микроконтроллера, подвижная зубчатая рейка соединена с телескопическим плечом двухплечевого рычага, второе плечо которого прикреплено к рельсу в середине участка, находящегося между двумя соседними шпалами, при этом рычаг установлен с возможностью вращения на оси опоры, неподвижно закрепленной в грунте железнодорожного полотна.
На чертеже приведена структурная схема автономного пункта счета осей.
Автономный пункт счета осей содержит стационарный приемопередающий блок 1 маломощного цифрового радиоканала ближней связи, порт управления которого соединен с портом микроконтроллера 2, второй порт которого через интерфейс 3 сопряжения соединен с датчиком 4 прохода колес подвижных единиц рельсового транспорта, при этом цепи питания стационарного приемопередающего блока 1 маломощного цифрового радиоканала ближней связи и микроконтроллера 2 подключены к выходу стабилизатора 5 напряжения автономного источника питания 6, датчик 4 прохода колес подвижных единиц рельсового транспорта выполнен в виде магнитоуправляемого датчика, постоянный магнит 7 которого закреплен на подвижной зубчатой рейке 8, взаимодействующей через храповое колесо 9 с механизмом преобразователя 10 механической энергии в электрическую, выход которого подключен к стабилизатору 5 напряжения через последовательно соединенные диодный выпрямитель 11, ограничитель 12 амплитуды и фильтр 13, к выходу фильтра 13 подключен модуль 14 контроля выходного напряжения, один из выходов которого соединен с входом управления включением стабилизатора 5 напряжения, а второй выход – соединен с входом микроконтроллера 2, подвижная зубчатая рейка 8 соединена с телескопическим плечом двухплечевого рычага 15, второе плечо которого прикреплено к рельсу 16 в середине участка, находящегося между двумя соседними шпалами 17, при этом рычаг установлен с возможностью вращения на оси 18 опоры 19, неподвижно закрепленной в грунте 20 железнодорожного полотна.
Автономный пункт счета осей работает следующим образом.
Автономный источник питания 6 использует для питания электроники  автономного пункта счета осей напряжение переменного тока, которое  поступает с выхода обмотки статора электрогенератора 21 переменного тока преобразователя 10 механической энергии в электрическую, выпрямляется диодным выпрямителем 11, ограничивается по амплитуде ограничителем 12 выпрямленного напряжения и после сглаживания пульсаций фильтром 13 поступает в цепи питания стабилизатора 5 напряжения и модуля 14 контроля выходного напряжения фильтра 13. Если модуль 14 контроля выходного напряжения фильтра 13 фиксирует, что уровень этого напряжения достаточен для нормальной работы стабилизатора 5 напряжения, то он своим выходным сигналом разрешает работу стабилизатора 5 напряжения на его нагрузки. Нагрузками стабилизатора 5 напряжения являются приемопередающий блок 1 маломощного цифрового радиоканала с приемопередающим ISM, и/или GSM модулем цифровой радиосвязи с поездами, микроконтроллер 2 и датчик 4 прохода колес подвижных единиц рельсового транспорта. При проходе каждого колеса подвижных единиц рельсового транспорта над датчиком 4 перемещение вверх постоянного магнита 7 приводит к срабатыванию чувствительного элемента датчика 4 прохода колес, включенного в цепь сигнала прохождения колеса на второй порт микроконтроллера 2 через интерфейс 3 сопряжения, например, к замыканию герметичного магнитоуправляемого замыкающего контакта датчика, который используется микроконтроллером 2 для подсчета числа осей (колесных пар) в составе проходящего над датчиком 4 поезда. В процессе счета числа осей и сразу после окончания счета приемопередающий блок 1 маломощного цифрового радиоканала с приемопередающим ISM, и/или GSM модулем по цифровой радиосвязи обменивается сообщениями с бортовым устройством управления проходящего поезда. Приемопередающий блок 1 каждого автономного пункта счета осей в первом сообщении передает бортовому устройству управления проходящего поезда свой уникальный радиоадрес, который перед ответом сопоставляется на поезде с известным уникальным радиоадресом приемопередающего блока 1 данного автономного пункта счета осей в электронной карте маршрута, хранящейся в памяти бортового устройства управления проходящего поезда. Затем бортовое устройство управления проходящего поезда в ответном сообщении передает приемопередающему блоку 1 и, соответственно, микроконтроллеру 2 свой уникальный радиоадрес. После этого радиосвязь между данным автономным пунктом счета осей и проходящим через него поездом надежно защищается от связи с посторонними корреспондентами.
При воздействии рельса 16 двуплечий рычаг 15 качается относительно опоры 19 вниз и вверх. Когда закрепленный на рельсе 16 конец двуплечего рычага 15 опускается, его телескопический конец приводит в движение подвижную зубчатую рейку 8, которая зацеплена с храповым колесом 9 механизма преобразования движения зубчатой рейки при прогибе рельса 16 в однонаправленное вращение вала ротора электрогенератора 21 переменного тока. При обратном движении рейки 8, когда рельс 16 возвращается в исходное положение, она проскальзывает по храповому колесу 9 вхолостую. Зацепление рейки 8 с храповым колесом 9 обеспечивается за счет формы этих элементов и их зубьев.  При первом же прогибе рельса 16 под проезжающим колесом первой оси подвижной единицы рельсового транспорта с амплитудой более 3-4 мм вал приводится в достаточно быстрое вращение, и электрогенератор 21 переменного тока сразу обеспечивает достаточным электропитанием автономный источник питания 6. При этом электронная схема автономного пункта счета осей переходит в полностью включенное состояние и сразу фиксирует прохождение первого колеса с помощью датчика 4. На вале закреплен массивный маховик, за счет которого электроснабжение автономного источника питания 6 сохраняется во время и после возврата рельса 16 в исходное положение и нормально длится в течение всего времени, необходимого для циклов обработки микроконтроллером 2 поступившей информации от датчика 4 прохода колес подвижных единиц рельсового транспорта, для сохранения результатов в энергонезависимой FLASH памяти микроконтроллера 2 и для радиообмена необходимыми данными с проходящим поездом. Если электрическая энергия, поступающая от  электрогенератора переменного тока в автономный источник питания 6, слишком мала или прекращается из-за недостаточной скорости вращения или остановки вала, электронная схема автономного пункта счета осей переводится модулем 14 контроля выходного напряжения сглаживающего фильтра в полностью выключенное состояние, без необходимости поддержания ее электроснабжения.
Масса маховика и конструкция механизма преобразования движения зубчатой  рейки 8 во вращение вала ротора электрогенератора  21 переменного тока выбраны такими, чтобы от каждого прогиба рельса 16 на более чем 3-4 мм выработка необходимой электроэнергии электрогенератором переменного тока продолжалась в течение достаточного промежутка времени, например, не менее 10 секунд. В течение этого времени микроконтроллером 2 фиксируется прохождение по рельсу 16 над        датчиком 4 не менее одной колесной пары поезда и, при необходимости, через приемопередающий блок 1 маломощного цифрового радиоканала осуществляется сеанс радиосвязи с проходящим поездом. Последний сеанс радиосвязи с проходящим поездом осуществляется сразу после прохождения над датчиком 4 последней колесной пары состава поезда. Внутренний ход времени в микроконтроллере 2 с малой погрешностью увязывается во время каждого радиообмена приемопередающего блока 1 маломощного цифрового радиоканала с бортовыми устройствами управления проходящего поезда с глобальным временем системы ГЛОНАС/GPS по бортовому приемнику спутниковой навигации поезда. В сообщениях, передаваемых с поезда, кроме очередных данных для привязки к глобальному времени системы ГЛОНАС/GPS, присутствуют данные о количестве осей в составе поезда и текущей скорости его движения. Если скорость движения слишком мала для нормальной раскрутки вала, то в ответной информации приемопередающий блок 1 сообщает об этом на поезд и счет осей для этого поезда данным автономным пунктом отменяется. Однако, это может произойти крайне редко, поскольку бортовые устройства управления поездом выбирают необходимый скоростной режим движения поезда над датчиком 4, обеспечивающий надежное энергоснабжение и счет осей каждым автономным пунктом счета осей. Например, предусматривается движение поезда с такой скоростью, чтобы колесные пары поезда проходили над датчиком 4 чаще, чем раз в 10 секунд (это требует скорости движения поезда более 3 м/c). Данные о количестве осей в составе и о скорости его движения позволяют с минимальной задержкой по времени передать на поезд информацию о том, что он следует в полном составе, сразу после прохождения над датчиком 4 последней колесной пары состава поезда. Если на поезд, движущийся со скоростью не ниже минимальной, информация о нормальном счете осей не поступает, то результат проверки следования данного поезда в полном составе считается отрицательным.  Поступление следующей информации, о следовании поезда в полном составе, в этом случае, возможно в следующем по маршруту движения поезда автономном пункте счета осей. Поскольку такие автономные пункты счета осей имеют не дорогое оборудование и не требуют частого обслуживания, их количество может быть для надежности и для целей более эффективного интервального регулирования быть достаточно большим. Для регулирования движения данного поезда можно пользоваться историческими данными, хранящимися в энергонезависимой FLASH памяти микроконтроллеров 2, о проследовании в полном составе, глобальном времени и скорости проследования через этот автономный пункт счета осей предыдущего поезда.
Использование маховика для удлинения интервалов времени, в которых обеспечивается электропитанием электронная схема автономного счетного пункта и сохранение данных обработки информации микроконтроллером 2 в его энергонезависимой FLASH памяти, вместе с синхронизацией локального времени микроконтроллера с глобальным временем системы ГЛОНАС/GPS при радиообмене данными с поездами, после каждого перерыва в электропитании электронной схемы пункта счета осей позволяет исключить необходимость применения в этой схеме электронных накопительных элементов большой электроемкости и, следовательно, исключить необходимость частого периодического обслуживания аппаратуры из-за малой надежности и срока службы этих накопительных элементов в условиях для макроклиматических районов и категории размещения УХЛ 1. Для применения на входе и выходе стабилизатора напряжения 5 достаточными являются, например, освоенные отечественной промышленностью танталовые электролитические конденсаторы, например, К53-1 А с емкостью порядка 100 микрофарад и рассчитанные на условия для длительной работы в макроклиматических районах при категории размещения УХЛ 1.
Вместо связи GSM может быть использована связь GSM - R, связь в диапазоне ультракоротких волн (160 МГц) или связь по стандартам Wi-Fi, Wi-Max, Z-Wave и другим подобным, подходящим по условиям дальности связи и по возможности их питания энергией, генерируемой электрогенератором переменного тока.
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает расширение  области применения и снижение эксплуатационных расходов на периодическое обслуживание автономного пункта счета осей.