УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ И ДАННЫХ ПО ОДНОПРОВОДНОЙ ИЛИ ДВУХПРОВОДНОЙ ЛИНИИ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПОДЪЁМНОЙ ИЛИ ТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ
DEVICE FOR TRANSFER OF ENERGY AND DATA BY SINGLE-WIRE OR DOUBLE-WIRE LINE IN ELECTRIC EQUIPMENT SYSTEM OF LIFTING OR TRANSPORT MACHINE

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в бортовых системах контроля, защиты и управления грузоподъемных кранов, автогидроподъемников, экскаваторов, самосвалов, погрузчиков, тракторов, автомобилей и других подъемных и транспортных машин.
Известно устройство для передачи электрической энергии и информационных сигналов в системе электрооборудования грузоподъемного крана, выполненное в виде отдельных проводных линий связи [1].
Параллельный обмен информацией между составными частями системы электрооборудования приводит к увеличению числа электрических линий связи в этой системе и к снижению ее надежности.
Известно также устройство для обмена данными в системе электрооборудования грузоподъемной машины, содержащее двухпроводные кабель-шины и контроллеры последовательного интерфейса CAN для передачи и приема информации. Передача электрической энергии между составными частями в этой системе электрооборудования осуществляется по дополнительным проводным линиям связи [2].
Использование отдельных проводов для передачи информационных сигналов и напряжения питания на различные составные части системы электрооборудования, а также сложность механизмов обнаружения и ограничения ошибок при использовании протокола CAN, приводят к усложнению и снижению надежности аппаратной части системы электрооборудования.
Наиболее близким к предложенному является устройство для приема и передачи данных по линии питания постоянного тока, содержащее двунаправленные блоки развязки цифровых сигналов и питающего напряжения в совмещенной линии питания и обмена информацией, установленные в контроллерах (составных частях) системы электрооборудования машины. Каждый блок развязки содержит силовой ключ и диодно-конденсаторную цепь либо дроссель, включенный последовательно в линию питания постоянного тока [3].
В этом устройстве не учитывается, что минусовые выводы отдельных составных частей (модулей, контроллеров) электрооборудования, соединенные с конструктивными элементами машины (с ее «массой»), могут иметь различные потенциалы из-за протекания по ним токов большой величины при включении мощных потребителей. Это может привести к выходу системы электрооборудования из строя и к сбоям при передаче данных по линии.
В известном устройстве не предусмотрена также работа системы электрооборудования без аккумуляторной батареи. В частности, ввиду отсутствия эффективной защиты от перенапряжений на выходе генератора и в линии, возникающих при отключении мощных нагрузок. Кроме того, отсутствует защита электрооборудования от неправильного подключении линии связи к ее отдельным составным частям.
Техническими результатами, на достижение которых направлено предложенное техническое решение, являются:
- предотвращение выхода из строя электрооборудования машины при наличии разности электрических потенциалов в различных точках «массы» машины, возникающей при протекании тока сильноточных нагрузок по ее конструктивным элементам;
- обеспечение защиты отдельных модулей электрооборудования от неправильного подключения к ним объединенной линии питания и передачи данных;
- исключение искажения данных, передаваемых по линии связи, при наличии разности потенциалов между минусовыми выводами питания отдельных модулей электрооборудования, вызванной протеканием тока большой величины по «массе» машины, например, во время электростартерного запуска двигателя машины;
- обеспечение возможности работы электрооборудования машины от генератора при отключенной аккумуляторной батарее;
- снижение требований к величине электрического сопротивления «массы» машины, используемой в качестве минусового провода питания в системе электрооборудования, с соответствующим упрощением ее компоновки;
- предотвращение выхода из строя электрооборудования машины при отключении мощных нагрузок, в частности, электрического стартера или фар ее рабочего освещения.
Предложенное устройство для передачи энергии и данных по однопроводной или двухпроводной линии в системе электрооборудования подъемной или транспортной машины содержит блоки развязки цифровых сигналов и питающего напряжения в совмещенной линии для передачи энергии (напряжения) питания и информационных сигналов, установленные в этой линии и/или в составных частях бортовой системы электрооборудования, получающей электрическое питание от генератора, имеющего привод от двигателя машины, и/или от аккумулятора, и реализующей функции контроля, защиты, и/или управления машиной. В этом устройстве указанные технические результаты достигаются путем дополнительного применения в нем, по меньшей мере, одного из перечисленных устройств: устройства гальванической развязки линии, устройства ограничения тока в линии, устройства ограничения напряжения между проводами линии, между линией и «массой» машины, напряжения на выходе генератора или напряжения питания какого-либо модуля системы электрооборудования, получаемого от линии, либо любой комбинации этих устройств.
Напряжение питания в линии может быть либо постоянным, либо переменным, формируемым с помощью дополнительного преобразователя. В последнем случае устройство может дополнительно содержать один или несколько выпрямителей, установленных в конечных точках линии или в приемниках напряжения питания (в модулях или составных частях системы электрооборудования), подключенных к этой линии.
Блоки развязки цифровых сигналов и питающего напряжения в линии могут быть реализованы с использованием оптоэлектронных устройств, конденсаторов или сигнальных трансформаторов. В случае передачи по линии напряжения питания переменного тока, блоки этой развязки могут быть реализованы на основе технических средств, осуществляющих изменение или кодирование рабочей частоты преобразователя напряжения постоянного тока в переменное напряжение питания в зависимости от данных, подлежащих передачи по линии, и последующего выявления этого изменения или декодирования частоты в точке приема данных.
Устройство гальванической развязки линии выполнено, предпочтительно, в виде изолирующего преобразователя напряжения, в котором, при необходимости, реализована функция стабилизации его выходного напряжения. Ограничители тока в линии могут быть выполнены в виде самовосстанавливающихся предохранителей из полимерного материала, электронных предохранителей или стабилизаторов напряжения с функцией защиты от перегрузки по току, а ограничители напряжения - в виде варисторов, ограничительных диодов (супрессоров), электронных стабилизаторов напряжения или активных фильтров.
Кроме того, для достижения указанных технических результатов, в любом варианте исполнения устройства:
- в качестве второго провода или части второго провода линии может быть использован металлический элемент или элементы конструкции машины (ее «масса»);
- между проводами линии или между проводом (проводами) линии и «массой» машины может быть подключен, по меньшей мере, один конденсатор, LC-фильтр или RC-фильтр. Дроссель или резистор такого фильтра включается последовательно в какой-либо провод линии;
- линия может иметь физическую топологию типа «точка-точка» или сетевую топологию типа «звезда» или «дерево»;
- устройства гальванической развязки линии, ограничители напряжения и тока могут быть установлены в линии, в составных частях бортовой системы электрооборудования и/или автономно.
Благодаря указанным отличительным признакам, в предложенном устройстве обеспечивается передача напряжения питания и информационных сигналов по общей линии независимо от разности электрических потенциалов минусовых (общих) выводов отдельных составных частей (модулей) системы электрооборудования. Это разность потенциалов возникает при работе системы из-за протекания по конструктивным элементам машины (по ее «массе») токов большой величины при включении мощных нагрузок. Например, во время электростартерного запуска двигателя машины.
Применение гальванической развязки минусового провода питания между отдельными модулями системы электрооборудования, в том числе в условиях, когда отдельные элементы этих модулей не имеют гальванической развязки от «массы» машины, является одним из существенных признаков заявленного технического решения, не известным из уровня техники.
Конструктивные особенности предложенного устройства направлены также на обеспечение работы системы электрооборудования машины без аккумуляторной батареи. В частности, за счет обеспечения защиты электрооборудования от перенапряжений на выходе генератора, возникающих при отключении мощных нагрузок. Кроме того, ограничение тока в линии обеспечивает защиту системы электрооборудования от неправильного подключении линии связи к ее отдельным составным частям (модулям, блокам и т.п.).
Поэтому отличительные признаки заявленного технического решения, не известные из уровня техники, обеспечивают достижение указанных технических результатов.
На чертеже в обобщенном виде приведена схема устройства для передачи энергии и данных по однопроводной или двухпроводной линии в системе электрооборудования машины.
Бортовая система электрооборудования подъемной или транспортной машины, реализующая функции контроля, защиты и/или управления этой машины, например функции управления и защиты грузоподъемного крана от перегрузки, состоит из отдельных составных частей, которые могут именоваться модулями, блоками, контроллерами, пультами и т.д.
На чертеже в качестве примера показаны модули 1, 2, 3, соединенные между собой двухпроводной 4 и однопроводной 5 линиями связи, по которым передается напряжение питания (электрическая энергия) на эти модули и осуществляется обмен информацией (данными) между ними.
Соединение может осуществляться по физической топологии типа «точка-точка» (между двумя модулями) или с использованием сетевой топологии типа «звезда» или «дерево».
Электрическое питание модулей (составных частей) системы электрооборудования осуществляется от генератора 6, имеющего привод от двигателя машины, и/или от аккумулятора 7. В общей цепи питания может быть установлено устройство коммутации и защиты от перегрузок по току, выполненное в виде автомата защиты сети, предохранителя 8 и т.п. (может отсутствовать), а также, в случае необходимости, устройство защиты отдельных модулей от подключения аккумуляторной батареи 8 обратной полярностью. Например, диод 9.
Часть системы электрооборудования может быть реализована с использованием традиционных линий передачи энергии питания и информационных сигналов на ее отдельные составные части. Например, отдельных проводов, CAN-шин в сочетании с отдельными шинами питания и т.д.
Схемы управления 10, 11 модулей 1, 2, 3 могут быть выполнены на основе микроконтроллеров или дискретных компонентов и, в общем случае, содержат электронные или электромеханические силовые ключи, предназначенные для управления нагрузками 12, 13, 14, а также цепи согласования с комплексом аналоговых, цифровых и дискретных датчиков параметров машины (температуры, давления, нагрузки машины и т.д.), параметров внешней среды (температуры окружающей среды, скорости ветра и т.д.) и управляющих воздействий машиниста. Отдельные датчики могут быть включены в состав модулей.
В состав этих модулей могут входить также органы управления системой и машиной в целом, элементы индикации и т.д.
Блоки развязки цифровых сигналов и питающего напряжения 15, 16 в совмещенной линии питания и обмена данными 4, 5, а также устройства гальванической развязки 17, 18 и/или устройства ограничения напряжения 19, 20, 21, 22 или тока 23, 24, 25, 26, установлены в этой линии 4, 5 и/или в составных частях (модулях) 1, 2, 3 бортовой системы электрооборудования.
В обоснованных случаях, в качестве второго провода или части второго провода линии 5 могут использоваться отдельные металлические элементы конструкции машины (ее «масса»),
Напряжение питания в линии 4, 5 может быть как постоянным, так и переменным. Соответственно, устройство гальванической развязки 17, 18 выполнено на основе изолирующего преобразователя напряжения постоянного тока в постоянное, постоянного в переменное, переменного в постоянное или переменного в переменное.
Если на какую-либо линию 4, 5 подается переменное напряжение, то на выходе этой линии, либо в подключенных к ней модулях, могут устанавливаться выпрямители (на чертеже условно нем показаны). При этом, если отдельные сильноточные нагрузки Zн 13, 14 имеют малые индуктивности (представляют собой, например, лампы накаливания) и могут работать от переменного напряжения, то выпрямители в цепях питания силовых частей модулей не устанавливаются. В этом случае используются только слаботочные выпрямители для питания схем управления 10, 11.
Блоки развязки цифровых сигналов и питающего напряжения 15, 16 реализованы с использованием оптоэлектронных устройств, конденсаторов 27, 28, 29 или сигнальных трансформаторов. Передача цифровых сигналов между отдельными отрезками линии связи 4, 5, разделенными изолирующим преобразователем напряжения 18, может осуществляться, например, с помощью конденсаторов 30, 31, либо полнофункциональных блоков развязки.
Полнофункциональные блоки развязки 15, 16 содержат, в частности, усилители-преобразователи напряжения 32, 33, реализующие функции приема/передачи цифровых сигналов, их усиление, регенерацию, фильтрацию, кодирование/декодирование и обмен данными с микроконтроллерами схем управления 10, 11 модулей 1, 2.
Питание на изолированные части блоков развязки 15, 16, в случае необходимости, может подаваться как непосредственно от входа и выхода изолирующего преобразователя напряжения 17, так и через дополнительные промежуточные изолирующие преобразователи (на чертеже не показаны).
При использовании переменного напряжения в линии 4, 5 блоки развязки цифровых сигналов и питающего напряжения могут быть выполнены в виде средства изменения или кодирования рабочей частоты преобразователя постоянного напряжения в переменное напряжение питания в зависимости от данных, подлежащих передачи по линии, а также средства для выявления этого изменения или декодирования частоты в точке приема данных. В этом случае изолирующий преобразователь 17, состоящий из управляемого по частоте генератора 34 и трансформатора 35 (выпрямитель 36 в данном случае отсутствует), работает под управлением микроконтроллера схемы управления 10, а устройство 33 реализует функции частотного демодулятора.
Ограничители напряжения на выходе генератора 19, между проводами линии 20, а также между линией и «массой» машины 21 выполнены, преимущественно, в виде варисторов. Для этих целей могут использоваться также ограничительные диоды (супрессоры).
Ограничитель выходного напряжения питания 22 выполнен в виде электронного стабилизатора напряжения или активного фильтра перенапряжения, включенного последовательно в линию 5 на ее выходе.
Ограничители тока выполнены в виде самовосстанавливающихся предохранителей из полимерного материала 23-26, электронных предохранителей или стабилизаторов напряжения с защитой от перегрузки по току.
Для усиления защиты от помех, между проводами линии и/или между одним проводом линии и «массой» машины могут включаться конденсаторы, LC-фильтры 37, 38 или RC-фильтры. В последнем случае дроссель 37 или резистор фильтра включается последовательно в провод линии. Вследствие потерь энергии на резисторе, применение RC-фильтров оправдано только в модулях с низким током потребления.
Дроссель 37 при этом, препятствующий блокированию конденсатором 38 высокочастотных информационных сигналов в линии 5, одновременно является составной частью блока развязки цифровых сигналов и питающего напряжения 16.
Конструктивно все перечисленные компоненты защиты и развязки могут быть размещены автономно, внутри модулей 1, 2, 3 либо на линии. Например, в виде вставок в линию, в том числе выполненных в виде отдельных блоков 39, адаптеров и т.п.
Любой модуль системы электрооборудования или группа модулей может содержать собственную мультиплексную линию связи, например, типа LIN, CAN и т.п., соединяющую эти модули в отдельную группу, что не имеет принципиального значения.
Таким образом, как показано на чертеже, устройство для передачи энергии и данных по линии в системе электрооборудования машины, согласно отличительной части формулы изобретения, в зависимости от вариантов его реализации может содержать:
- устройство гальванической развязки линии (элементы 18, 35);
- ограничитель напряжения между проводами линии (элемент 20);
- ограничитель напряжения между линией и «массой» машины (элемент 21);
- ограничитель напряжения на выходе генератора (элемент 19);
- ограничитель тока в линии (элементы 23-26);
- ограничитель напряжения питания составной части системы электрооборудования, поступающего от линии (элемент 22).
Устройство может содержать один (любой) их этих элементов, несколько элементов в любом сочетании либо одновременно все перечисленные элементы.
Если устройство реализовано с отсутствующими элементами 19, 20, 21, то точки их подключения остаются свободными.
Если же из устройства исключаются элементы 18, 22, 23, 24, 25, 26 и 35, то точки их подключения между собой соединяются (закорачиваются). Причем для элементов 18 и 35 такое соединение осуществляется попарно.
Устройство работает следующим образом.
При работе машины генератор 6, имеющий привод от ее двигателя, обеспечивает подзарядку аккумуляторной батареи 7 и является источником энергии для системы электрооборудования. Его номинальное выходное напряжение составляет, например, +27 В постоянного тока.
Напряжение питания через устройство коммутации и защиты от перегрузок по току 8 поступает на ведущий модуль 1, либо одновременно на несколько модулей 1, 2, которые могут быть равнозначными. Далее это напряжение через устройство защиты от подключения аккумуляторной батареи обратной полярностью 9 (может отсутствовать) и через изолирующий преобразователь 17, обеспечивающий гальваническую развязку и, при необходимости, стабилизацию питающего напряжения, поступает в линию 4 и далее используется для питания других составных частей (модулей) системы электрооборудования машины.
На подъемных и транспортных машинах нередко используются сильноточные элементы электрооборудования, один из выводов которых соединен с их корпусом. При установке таких элементов (нагрузок 12, 13, 14) на машину эти выводы соединяются с «массой» (конструктивными элементами) машины. При использовании этой «массы» в качестве минусового или «общего» провода питания нагрузок возникает серьезная проблема, обусловленная несовпадением нулевых потенциалов «массы» в различных точках машины при включении сильноточных нагрузок. Например, во время электростартерного запуска двигателя машины.
В этом случае возникают паразитные контуры, по которым начинают проходить «земляные» токи большой величины. Несмотря на относительно небольшое электрическое сопротивление конструктивных металлических элементов («массы») машины, протекание больших токов мощных нагрузок вызывает помехи и искажения при передаче информационных сигналов по линиям связи, а при большой разности земляных потенциалов может приводить к повреждениям отдельных устройств электрооборудования.
Для исключения нарушения работоспособности и выхода из строя электрооборудования машины от протекания «земляных» токов используется гальваническая развязка минусового провода линии питания отдельных составных частей системы электрооборудования. Из приведенного чертежа следует, что в предложенном устройстве ток по конструктивным элементам машины от генератора 6 и аккумулятора 7 до участка «массы» машины 41 не протекает, причем несмотря на то, что как генератор с аккумулятором, так и нагрузка 14 соединены с «массой машины».
Линия связи 4 снабжена предохранительными блоками, каждый из которых включает в себя пару самовосстанавливающихся предохранителей 23, 24 и 25, 26, а также варистор 20, встроенные в двухпроводную линию обмена данными 4 и обеспечивающие защиту электронных составных частей (модулей) системы от выхода из строя при наличии перенапряжений, при повреждении линии и ее неправильном подключении к модулям.
При коротком замыкании линии, а также при ее неправильном подключении к модулям происходит возрастание тока, протекающего через самовосстанавливающиеся предохранители 23-26. В этом случае происходит резкое увеличение сопротивлений самовосстанавливающихся предохранителей, что ограничивает ток в линии и обеспечивает защиту системы электрооборудования. После устранения причин возрастания тока, система электрооборудования автоматически переходит в рабочее состояние.
В момент отключения мощных нагрузок 12, 13, 14 на выходе генератора 6 возникает импульс перенапряжения. Этот импульс, особенно при отсутствии аккумуляторной батареи 7, имеет большую величину и может привести к выходу системы электрооборудования из строя. Для уменьшения его амплитуды в системе устанавливается варистор 19. Дополнительную защиту отдельных составных частей (модулей) системы от этих перенапряжений обеспечивают также варисторы 20, 21, ограничитель выходного напряжения питания 22, а также изолирующие преобразователи напряжения 17, 18, если они выполнены с функцией стабилизации выходного напряжения.
Передача данных между модулями, необходимая для реализации функций контроля, защиты и управления машины, в том числе для опроса датчиков, программной реализации микроконтроллерами схем управления 10, 11 логических функций, управления нагрузками 12, 13, 14 и т.д., осуществляется, в общем случае, в мультиплексном режиме.
Информационные и управляющие сигналы между модулями 1,2,3 передаются в цифровом виде в соответствии с выбранным для данной системы последовательным интерфейсом, который реализуют микроконтроллеры схем управления 10, 11.
Информационные сигналы (данные) передаются линии 4, 5 одновременно с передачей энергии питания отдельных модулей системы.
В блоке развязки цифровых сигналов и питающего напряжения 15, входные логические сигналы, формируемые схемой управления 10, кодируются импульсами определенной длительности, частоты, полярности и/или амплитуды и далее поступают на линию 4, 5.
Импульсы с линии 5 поступают на декодирующую схему 33, которая восстанавливает входной сигнал. При этом осуществляется усиление сигнала, его регенерация, фильтрация помех, обнаружение и исправление ошибок и т.д.
Аналогичным образом происходит передача данных в обратном направлении.
При организации этого обмена данными схемы управления 10, 11 перед началом передачи данных принимают сигналы с линии 3, 4 и выявляют, что линия свободна для передачи данных, формируют запросы на получение данных от каждой составной части (модуля) системы или на передачу информации в них. Каждый запрос содержит, в частности, адрес составной части системы, с которой должен произойти обмен информацией, команду, информацию (при передаче данных) и контрольную сумму.
Сигнал с линии 4, 5 поступает одновременно на входы схем управления 10, 11 всех составных частей системы. Они осуществляют прием информации с линии 4, 5 и проверку контрольной суммы. Если контрольная сумма не совпадает, результат приема игнорируется и схема управления 10, 11 переходит в режим ожидания следующей передачи, которая циклически повторяется с целью обеспечения надежности системы при работе в условиях помех.
При совпадении контрольной суммы каждая схема управления 10, 11 производит сравнение принятого адреса с собственным адресом и, в случае их совпадения, принимает информацию и формирует сигналы подтверждения этого приема, либо начинает передачу ответной информации. При этом другие схемы управления 10, 11 (модули 1, 2, 3), адреса которых не совпадают с переданным адресом, игнорируют принятый сигнал запроса и находятся в режиме ожидания обращения к ним. Благодаря этому, в любой момент времени в режиме передачи находится только одна составная часть системы и конфликта по загрузке объединенной линии питания и обмена данными 4, 5 не происходит.
В системе электрооборудования может быть реализована последовательная передача цифровой информации как в асинхронном, так и в синхронном режимах. При этом могут быть реализованы различные канальные, сетевые, транспортные и прикладные уровни протокола передачи информации. В частности, лежащие в основе протоколов доступа по проводным сетям LIN, CAN, MicroLAN и т.п., что не имеет принципиального значения.
В данном описании схематично приведены лишь частные варианты реализации предложенного устройства. Изобретение охватывает другие возможные варианты его исполнения и их эквиваленты без отступления от сущности изобретения, изложенной в его формуле.
Источники информации
1. RU 2129524 C1, B66C23/88, B66C13/18, 27.04.1999.
2. RU 2264973 C2, B66C15/06, 27.11.2005.
3. RU 2276094 C1, B66C13/18, B66C23/88, 10.05.2006.