BR112021009200A2 - sistema de controle eletrônico de frenagem de um veículo ferroviário - Google Patents
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Abstract
SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO DE
FRENAGEM DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO.
Um sistema de controle eletrônico de frenagem de um veículo ferroviário
(500) é descrito, compreendendo um módulo de frenagem de emergência
(501) que gera um respectivo sinal de pressão de frenagem intermediário
indicativo de uma frenagem de emergência (523, (605)) e um módulo de
frenagem de serviço (507) que gera um respectivo sinal de pressão de
frenagem de serviço (535); o módulo de frenagem de emergência (501) é
organizado para: - gerar um sinal de controle de pressão de frenagem
(524) correspondente ao sinal de pressão de frenagem de serviço (535),
quando o mais alto entre os um ou mais sinais de pressão de frenagem
intermediários indicativos de uma frenagem de emergência (523, (605))
for inferior a um limite (529); - gerar um sinal de controle de pressão
de frenagem (524) correspondendo ao mais alto entre os um ou mais sinais
de pressão de frenagem intermediários indicativos de uma frenagem de
emergência (523, (605)), quando o mais alto entre os um ou mais sinais
de pressão de frenagem intermediários indicativos de frenagem de
emergência (523, (605)) é igual ou superior ao limite (529); e -
converter o sinal de controle de pressão de frenagem (524) por um
atuador eletropneumático (506).
Description
[001] A presente invenção refere-se genericamente ao campo dos sistemas de frenagem ferroviária; em particular, a invenção se refere a um sistema de controle de frenagem para um veículo ferroviário.
[002] Os sistemas convencionais de frenagem ferroviária desempenham diferentes funções caracterizadas pelo estado em que o veículo ferroviário se encontra. As duas funções principais são conhecidas como “frenagem de serviço” e “frenagem de emergência”.
[003] A frenagem de serviço é o estado em que o veículo ferroviário é desacelerado durante as etapas normais do serviço operacional.
Neste estado, o desempenho da frenagem deve ser garantido com uma probabilidade de falha inferior a 10-7. Este valor corresponde ao nível de integridade de segurança SIL2 referido à norma EN50126.
[004] Frenagem de emergência é o estado em que o trem deve garantir a frenagem dentro de uma distância de frenagem estabelecida por normas internacionais, com probabilidade de não atingir o desempenho normalmente igual ou inferior a 10-9. Este valor corresponde ao nível de integridade de segurança SIL4 da norma EN50126.
[005] No que diz respeito à implementação da frenagem de serviço, os sistemas de frenagem relativos aos veículos ferroviários são agora inteiramente gerenciados por controles eletrônicos interagindo com os sistemas de controle dos motores de tração, usados de forma regenerativa durante a frenagem (freio eletrodinâmico), e com TCMS, “Train control and Monitoring Systems - Sistemas de controle e monitoramento de trens”, para uma troca contínua de informações de diagnóstico e gestão em tempo real dos modos de compensação para possíveis avarias do sistema de frenagem de serviço ou frenagem eletrodinâmica.
[006] Tal forma de realização usando sistemas eletrônicos aumentou consideravelmente o conforto do passageiro, por exemplo, garantindo variações de aceleração toleráveis ou compensando dinamicamente a variação nos coeficientes de atrito dos materiais de atrito com velocidade variável, enquanto mantém desaceleração uniforme.
[007] Por outro lado, esses sistemas eletrônicos de controle de frenagem de serviço têm se tornado cada vez mais complexos, com base em arquiteturas de microprocessadores que transportam grandes quantidades de código de software vinculados não apenas a processos em tempo real para o gerenciamento do freio, mas também ao gerenciamento de processos de diagnóstico de todo sistema de frenagem e gestão de protocolos de comunicação complexos, como Ethernet ou MVB. Por este motivo, os principais operadores do setor preferem utilizar soluções puramente pneumáticas durante a etapa de frenagem de emergência.
[008] A emissão da norma ferroviária EN16185 é prova disso.
Este padrão padroniza os sistemas de frenagem que fornecem dois canais pneumáticos concorrentes para solicitar frenagem de emergência.
[009] A razão para esta escolha pelos operadores está ligada ao alto coeficiente de segurança intrínseca e confiabilidade demonstrada ao longo do tempo pelas arquiteturas pneumáticas e os componentes pneumáticos utilizados, em contraposição à menor confiabilidade dos sistemas eletrônicos. A menor confiabilidade está principalmente ligada à potencial presença de defeitos de software de modo comum que podem ocorrer simultaneamente em todo o trem durante a frenagem de emergência, comprometendo parcial ou totalmente o cumprimento das distâncias de parada.
[010] No entanto, essa escolha tecnológica está começando a entrar em conflito com as crescentes demandas por precisão nas distâncias de parada durante a frenagem de emergência.
[011] Os sistemas e componentes pneumáticos estão sujeitos a imprecisões causadas pela dependência da temperatura das molas e subcomponentes de borracha e seu envelhecimento.
[012] A outra norma europeia EN15611 impõe limites rigorosos às tolerâncias dos sistemas e componentes pneumáticos acima mencionados, de modo a torná-los difíceis de alcançar e de custo extremamente elevado.
[013] Um exemplo de um sistema de frenagem pneumático integrando frenagem de serviço e frenagem de emergência, conhecido pelo técnico no assunto, é mostrado na Figura 1.
[014] A pressão na tubulação geral (101) é modulada pela torneira de freio (102) em uma faixa variável de pressões entre 5 bar e 3,5 bar, em que 5 bar é o valor que representa uma solicitação de frenagem zero e o valor de 3,5 bar representa a frenagem de serviço máxima.
[015] Um botão de emergência (103) descarrega a tubulação geral abaixo de valores inferiores a 3,5 bar que representam a solicitação de frenagem de emergência. Uma válvula distribuidora (104) modula a pressão em sua saída em função da pressão na tubulação geral (101), de acordo com o diagrama mostrado na Figura 2.1.
[016] Para um valor de pressão de tubulação geral igual a 5 bar, a pressão de saída para a válvula distribuidora (104) é zero e corresponde a uma solicitação de frenagem zero.
[017] Para valores de pressão na tubulação geral entre 5 bar e 3,5 bar, a pressão da válvula de saída varia linearmente entre 0 bar e 3,8 bar; Sendo 3,8 bar o valor da pressão correspondente à frenagem de emergência.
[018] Para pressões gerais da tubulação abaixo de 3,5 bar, a pressão da válvula de saída permanece em 3,8 bar, ou no valor de pressão correspondente à frenagem de emergência.
[019] O botão de emergência (103) tem a finalidade de descarregar a tubulação geral trazendo a pressão abaixo do valor de 3,5 bar muito mais rápido que a torneira de freio, acelerando a passagem do estado de frenagem de serviço para o estado de frenagem de emergência.
[020] A válvula de vazio (105), também conhecida pelos técnicos como VCAV, da definição francesa “Vide-Chargè Auto-Variable”, tem por objetivo corrigir a pressão enviada ao cilindro do freio (106) de acordo com a carga do veículo, segundo o recurso mostrado na Figura 2.2.
[021] O objetivo desta última função é limitar a pressão de acordo com a aderência disponível considerada na fase de projeto do veículo, ou seja, fornecer a pressão de frenagem máxima possível além da qual a força de aderência disponível seria excedida. A superação da força de adesão disponível faria com que os eixos travassem com a consequente planicidade das rodas e perda da força de frenagem devido à transição do atrito de rolamento para o atrito de deslizamento das próprias rodas.
[022] A válvula distribuidora (104) e a válvula de carga vazia (105), respectivamente esquematizadas na Figura 3 e na Figura 4, são componentes pneumáticos extremamente complexos.
[023] Em particular, a cada nova aplicação, a válvula de carga vazia (105) requer o redesenho das partes internas, como por exemplo o carregamento das molas ou a relação da balança da plataforma, tendo que se reajustar às novas faixas de peso entre tara e carga total do veículo e da aderência disponível para a própria aplicação.
[024] Além disso, é comum ter diferentes configurações de subcomponentes das válvulas de carga vazia (105) para o mesmo trem na variação do intervalo de tara-carga completa entre os vários veículos que constituem o próprio trem, por exemplo, entre carros a motor e carros de reboque (trailer).
[025] Finalmente, durante a etapa de comissionamento do trem, as solicitações de recalibração contínuas envolvem a substituição frequente dos próprios subcomponentes, até que uma configuração correta seja alcançada.
[026] A implementação de sistemas eletrônicos para aplicações ferroviárias é atualmente regulamentada pelas seguintes normas ferroviárias europeias: - EN50126 “Aplicações ferroviárias. A especificação e demonstração de confiabilidade, disponibilidade, manutenção e segurança (RAMS). Requisitos básicos e processo genérico”; - EN50128 “Aplicações ferroviárias - Sistemas de comunicação, sinalização e processamento - Software para sistemas de controle e proteção ferroviária”; e - EN50129 “Aplicações ferroviárias. Sistemas de comunicação, sinalização e processamento. Sistemas eletrônicos de segurança para sinalização”.
[027] Em particular, a norma EN50126 define a metodologia para atribuir os níveis de segurança SIL0/1/2/3/4 aos subsistemas com base nos resultados da Análise de Segurança, e as normas EN50128 e EN50129 definem os critérios de projeto a serem aplicados ao componente de software e hardware, respectivamente, com base nos níveis de SIL atribuídos.
[028] Com base na aplicação dos padrões citados anteriormente, as seguintes afirmações e conceitos podem ser expressos: - os sistemas eletrônicos utilizados para a realização da função de frenagem de serviço podem de forma geral ser realizados de acordo com as disposições ditadas pelas referidas normas, limitando-se a referida realização a níveis de segurança não superiores a SIL2; e
- os sistemas eletrônicos utilizados para a realização da função de frenagem de emergência podem ser fabricados de acordo com as prescrições ditadas pelas referidas normas, restringindo-se a referida realização a níveis de segurança não inferiores a SIL3.
[029] É estado da técnica tornar os sistemas eletrônicos compatíveis com os níveis SIL ≤ 2 para controle de frenagem de serviço; pelo contrário, é muito complexo e oneroso desenvolver e manter sistemas eletrônicos que estejam em conformidade com os níveis SIL ≥ 3.
[030] A proporção da complexidade de desenvolvimento e custo para certificação entre sistemas SIL ≤ 2 e sistemas SIL ≥ 3 normalmente varia entre 1:20 e 1:40.
[031] Além disso, os Organismos Notificados para Segurança e Agências Nacionais de Segurança não aceitam a coexistência de módulos de software desenvolvidos em diferentes níveis de SIL executados pela mesma arquitetura de hardware, nem módulos de software de nível de SIL ≥ 3 executados por arquiteturas de hardware SIL ≤ 2 para arquiteturas eletrônicas que devem alcançar um nível SIL geral ≥ 3.
[032] É, portanto, evidente que o desenvolvimento de arquiteturas eletrônicas únicas que podem fornecer simultaneamente a função de frenagem de serviço, a função de frenagem de emergência, as funções de diagnóstico, outras funções, não é conveniente, uma vez que essas arquiteturas devem ser implementadas de acordo com os níveis SIL ≥ 3 em sua totalidade, com alto dispêndio de recursos econômicos e longo tempo de desenvolvimento.
[033] A patente WO 2018/189693 propõe uma solução para o problema acima mencionado, reivindicando um sistema de controle eletrônico para frenagem de emergência e de serviço para um veículo ferroviário projetado para gerar uma pressão de frenagem correspondente ao maior entre um sinal de pressão de frenagem de serviço, proveniente de um módulo de frenagem de serviço, e uma sinal de pressão de frenagem de emergência.
[034] No entanto, a solução proposta por WO 2018/189693 não cobre os casos em que o sistema de controle de derrapagem é desativado durante a frenagem de emergência.
[035] Conforme descrito acima, a frenagem de emergência exige a conformidade com os níveis gerais de segurança SIL4 de acordo com EN50126. Como consequência, sabe-se que de forma geral os dispositivos que contribuem para a realização da frenagem de emergência, se desenvolvidos por meio de tecnologia eletrônica, devem ser submetidos aos níveis de segurança SIL ≥ 3 de acordo com as normas EN50128 e EN50129.
[036] Os sistemas antiderrapantes modernos usam algoritmos muito complexos, por exemplo, conforme descrito em EP 3393873, WO 2017/175108 e EP 1874601, que são difíceis de alcançar adotando os métodos recomendados pela norma EN50128, níveis de segurança SIL ≥ 3. Isto implica o pedido de algumas Agências Europeias de Segurança Ferroviária para inibir os dispositivos antiderrapantes durante a frenagem de emergência, apesar de estes dispositivos antiderrapantes poderem contribuir para reduzir as distâncias de frenagem em caso de degradação da aderência.
[037] Nesta configuração, opta-se por reduzir a pressão de frenagem de emergência, aceitando uma distância de parada maior em relação à frenagem de serviço, a fim de reduzir o risco de desencadeamento de derrapagem que devido à inibição do sistema anti-derrapante levaria ao inevitável travamento das rodas.
[038] A patente WO 2018/189693, que propõe implementar sempre o mais alto entre a pressão de frenagem de serviço e a pressão de frenagem de emergência, pode em certos casos não cumprir o requisito de aplicar uma pressão de frenagem de emergência inferior à pressão de frenagem de serviço.
[039] Um objetivo da presente invenção é, portanto, fornecer um sistema de controle de frenagem eletrônico para um veículo ferroviário que permita que a função de frenagem de emergência seja segregada e tornada independente da função de frenagem de serviço e das outras funções acessórias, garantindo o isolamento total das peças em conformidade com níveis SIL ≥ 3 de peças em conformidade com os níveis SIL ≤ 2, ao mesmo tempo que faz com que a realização das pressões de frenagem convirja em um único atuador comum, reduzindo o custo de desenvolvimento, instalação e manutenção de um sistema de controle de frenagem ferroviária totalmente eletrônico.
[040] É evidente que o comando da frenagem do veículo ferroviário diz respeito tanto ao comando da frenagem de serviço como ao comando da frenagem de emergência.
[041] Além disso, o sistema de controle favorece a aplicação de pressão de frenagem de emergência durante a solicitação de frenagem de emergência.
[042] O acima e outros objetivos e vantagens são alcançados, de acordo com um aspecto da invenção, por um sistema de controle eletrônico de frenagem de um veículo ferroviário tendo as características definidas nas reivindicações independentes. As formas de realização preferidas da invenção são definidas nas reivindicações dependentes.
[043] As características funcionais e estruturais de algumas formas de realização preferidas de um sistema de controle de frenagem eletrônico de um veículo ferroviário de acordo com a invenção serão agora descritas. Será feita referência aos desenhos anexos, nos quais:
- a Figura 1 ilustra de forma simplificada de um sistema de frenagem pneumático integrando frenagem de serviço e de emergência, conhecido do técnico no assunto; para fins de simplificação, os tanques principal e auxiliar, bem como todas as funções acessórias não necessárias para exemplificação, não são mostrados; - a Figura 2.1 ilustra a função de transferência de entrada-saída de uma válvula distribuidora; - a Figura 2.2 ilustra uma curva emulando funcionalmente uma válvula de carga vazia (105), na qual o termo carga de colisão indica uma condição incomum de carga de passageiros; - a Figura 3 ilustra esquematicamente uma válvula distribuidora; - a Figura 4 ilustra a seção de uma válvula de carga vazia; - a Figura 5 ilustra uma forma de realização de um sistema de controle de frenagem eletrônico para um veículo ferroviário; - a Figura 6 ilustra uma segunda forma de realização do módulo de frenagem de emergência; - a Figura 7 ilustra uma terceira forma de realização do módulo de frenagem de emergência; e - a Figura 8 ilustra qualitativamente uma curva do nível de aderência entre a roda e o carril em função do coeficiente de aderência e da velocidade do veículo.
[044] Antes de explicar uma pluralidade de formas de realização da invenção em detalhes, deve-se notar que a invenção não está limitada em sua aplicação aos detalhes de construção e à configuração dos componentes apresentados na descrição a seguir ou mostrados nos desenhos. A invenção pode assumir outras formas de realização e ser implementada ou praticamente realizada de maneiras diferentes. Também deve ser entendido que a fraseologia e a terminologia são para fins descritivos e não devem ser interpretados como limitantes. O uso de “incluir” e “compreender” e suas variações pretendem incluir os elementos citados posteriormente e seus equivalentes, bem como elementos adicionais e equivalentes dos mesmos.
[045] Ao longo da presente descrição, o termo “módulo” refere-se de forma preferencial a um módulo que pode ser implementado por meio de uma arquitetura de hardware-software eletrônico, o termo “submódulo” de preferência indica um submódulo dentro do qual as funções podem ser implementadas, por sua vez implementadas através de software ou hardware controlado por tal software. O software pode ser executado, por exemplo, por microprocessadores ou por FPGA.
[046] Nas Figuras, as linhas que conectam os vários submódulos dentro de um módulo devem ser de forma preferencial entendidas como sinais elétricos ou variáveis de software.
[047] O sistema de controle eletrônico de frenagem de um veículo ferroviário (500) de acordo com a invenção é caracterizado por incluir um módulo de frenagem de emergência (501) (MÓDULO DE FREIO DE SEGURANÇA) e um módulo de frenagem de serviço (507) (MÓDULO DE FREIO DE SERVIÇO) cada um incluindo uma arquitetura eletrônica disposta para gerar um valor de pressão de frenagem, as ditas arquiteturas eletrônicas sendo independentes e segregadas umas das outras.
[048] O módulo de frenagem de serviço (507) está disposto para receber pelo menos um sinal de solicitação de desaceleração ou frenagem de serviço (530) e para gerar um respectivo sinal de pressão de frenagem de serviço (535). O módulo de frenagem de emergência (501) está conectado ao referido módulo de frenagem de serviço (507) através de um canal de comunicação (536) para receber o referido sinal de pressão de frenagem de serviço (535).
[049] O referido módulo de frenagem de emergência (501) está disposto para receber pelo menos um sinal indicativo de uma solicitação de frenagem de emergência e para gerar um respectivo sinal de pressão de frenagem intermediário indicativo de uma frenagem de emergência (523).
[050] O módulo de frenagem de emergência (501) também está disposto para gerar um sinal de controle de pressão de frenagem (524) correspondente ao sinal de pressão de frenagem de serviço (535), quando o mais alto entre os um ou mais sinais de pressão de frenagem intermediários indicativos de uma frenagem de emergência (523, 605) é inferior a um valor de pressão de limite predeterminado (529).
[051] O módulo de frenagem de emergência (501) também está disposto para gerar um sinal de controle de pressão de frenagem (524) correspondente ao mais alto entre os um ou mais sinais de pressão de frenagem indicativos de uma frenagem de emergência (523, 605), quando o mais alto entre os um ou mais sinais de pressão de frenagem intermediários indicativos de frenagem de emergência (523, 605) é igual ou superior ao valor de pressão limite predeterminado (529).
[052] Além disso, o módulo de frenagem de emergência (501) também está disposto para converter o referido sinal de controle de pressão de frenagem (524) em uma pressão de frenagem controlando um atuador eletropneumático (506).
[053] Em uma forma de realização mostrada na Figura 5, o módulo de frenagem de serviço (507) inclui um submódulo para calcular uma pressão de frenagem de serviço (508) que recebe uma solicitação de frenagem ou desaceleração de serviço (530) gerada, por exemplo, por um manipulador do freio (DEMANDA DE ALÇA DE FREIO) por meio de uma frenagem de serviço ou sinal de solicitação de desaceleração (530) e o peso do veículo (PESO) por meio de um primeiro sinal de peso (522).
[054] O referido primeiro sinal de peso (522) sendo, por exemplo, mas não exclusivamente, o valor de pressão adquirido proveniente das suspensões ou uma voltagem elétrica derivada de um sensor de posição do corpo em relação ao vagão de plataforma (bogie).
[055] O submódulo de cálculo de uma pressão de frenagem de serviço (508) realiza em tempo real o cálculo de um valor de pressão necessário para a frenagem de serviço correspondente ao pedido de frenagem ou desaceleração de serviço mencionado acima (530) e gera um respectivo sinal de pressão de frenagem de serviço (535) tendo um valor correspondente ao valor da pressão necessária para a frenagem de serviço calculada.
[056] O valor de pressão necessário para a frenagem de serviço é obtido combinando, por exemplo, mas não exclusivamente, o referido primeiro sinal de solicitação de frenagem ou desaceleração de serviço (530) e o referido primeiro sinal de peso (522), por meio de uma função adequada conhecida pelo técnico no assunto, semelhante ao mostrado na Figura 2.2.
[057] Um segundo sinal de pedido de frenagem ou desaceleração de serviço (531), vindo de um TCMS (532), também pode ser transmitido para o submódulo de cálculo de uma pressão de frenagem de serviço (508) a partir de um submódulo de comunicação (509).
[058] O submódulo de comunicação (509) gerencia todos os protocolos de comunicação para o trem, por exemplo, mas não exclusivamente, para o TCMS (532) e para um sistema de tração (533).
[059] Outros submódulos incluídos no bloco tracejado (510) podem estar presentes. Por exemplo, mas não exclusivamente, submódulos de gerenciamento de entrada/saída, para gerenciar e armazenar informações de diagnóstico (534) e gerenciamento de exibição, submódulos de comunicação para ferramentas de diagnóstico e outros submódulos não relacionados à frenagem de emergência normalmente conhecidos pelo técnico no assunto.
[060] Um canal de comunicação (536), seja do tipo com fio ou sem fio, é usado pelo módulo de frenagem de serviço (507) e pelo módulo de frenagem de emergência (501) para trocar informações entre si.
[061] O canal de comunicação (536) pode ser “ponto a ponto” ou compartilhado com outros módulos, não necessariamente dedicado às funções de frenagem do veículo. Os referidos módulos adicionais não são mostrados na Figura 5.
[062] O canal de comunicação (536) pode, por exemplo, consistir em um barramento.
[063] A informação, e em particular o sinal de pressão de frenagem de serviço (535), é transferida do módulo de frenagem de serviço (507) para o módulo de frenagem de emergência (501), por exemplo, mas não exclusivamente, de acordo com o conceito de canal preto expresso na norma europeia “EN50159: Aplicações ferroviárias. Sistemas de comunicação, sinalização e processamento. Comunicação relacionada com a segurança em sistemas de transmissão. “O canal de comunicação (536) também pode ser implementado por meio de linhas com fio do tipo analógico, por exemplo, mas não exclusivamente em tensão ou corrente ou PWM, ou por codificação digital em vários fios.
[064] No módulo de frenagem de emergência (501), um submódulo de cálculo de uma primeira função de transferência (502) recebe pelo menos um sinal indicativo de uma solicitação de frenagem de emergência.
[065] Nesta forma de realização, o pelo menos um sinal indicativo de uma solicitação de frenagem de emergência é um sinal de frenagem pneumática (520) indicando a pressão de controle de um sistema de frenagem do veículo, por exemplo, um sinal de pressão adequadamente adquirido correspondente ao valor de pressão da tubulação de freio (já indicado com (101) na Figura 1), cuja faixa de valores inclui pelo menos um valor correspondente a uma frenagem de emergência.
[066] O valor correspondente a uma frenagem de emergência pode, por exemplo, ser um valor que excede um limite predeterminado. O termo excede pode ser entendido como o caso em que o valor é superior ao limite predeterminado ou o caso em que o valor é inferior ao limite predeterminado.
[067] O submódulo de cálculo de uma primeira função de transferência (502) calcula a função de transferência da curva mostrada na Figura 2.1, emulando funcionalmente uma válvula distribuidora (104), incluindo as subfunções conhecidas pelos técnicos como tanque de controle e comportamentos relacionados contra as ações de sobrecarga e descarte.
[068] O submódulo de cálculo de uma primeira função de transferência (502), portanto, fornece em sua saída um sinal de pressão de válvula de distribuição (521), cujo valor virtual pode corresponder a um valor de pressão entre 0 bar e 3,8 bar de acordo com a emulação da válvula distribuidora (104).
[069] O referido sinal de pressão de frenagem da válvula distribuidora (521) é fornecido como entrada para um submódulo de cálculo de uma segunda função de transferência (503), juntamente com um segundo sinal de peso do veículo (528) (“PESO”) correspondendo ao valor do peso do veículo adquirido.
[070] O sinal de pressão da tubulação de freio e o segundo sinal de peso do veículo (528) são adquiridos de acordo com os processos SIL ≥ 3, por exemplo, mas não exclusivamente, através de canais e sensores redundantes e mutuamente diagnosticados.
[071] Em uma forma de realização alternativa, o segundo sinal de peso do veículo (528) pode ser transmitido através do canal de comunicação (536) para o submódulo de solicitação de frenagem ou desaceleração (508) que usará o referido segundo sinal de peso do veículo (528) em vez de adquirir o primeiro sinal de peso (522).
[072] O submódulo de cálculo de uma segunda função de transferência (503) calcula a função de transferência da curva mostrada na Figura 2.2, realizando a emulação da válvula de carga vazio (105).
[073] A saída do submódulo de cálculo de uma segunda função de transferência (503) é um sinal de pressão de frenagem intermediário indicativo de uma frenagem de emergência (523) que representa o valor virtual da pressão de frenagem pneumática que deve ser enviada para o cilindro de freio, após uma frenagem realizada através da modulação dos sinais de pressão da tubulação de freio. A faixa de valores que o sinal de pressão da tubulação de freio pode assumir inclui um valor correspondente ao valor da frenagem de emergência. O referido valor é de forma preferencial representado pelo valor máximo que pode ser alcançado pela frenagem pneumática, ou seja, pelo sinal de pressão de frenagem intermediário indicativo de uma frenagem de emergência (523).
[074] O submódulo de seleção de pressão de frenagem de emergência de duas entradas (504) recebe como entrada o sinal de pressão de frenagem intermediário indicativo de uma frenagem de emergência (523) produzido pelo submódulo de cálculo de uma segunda função de transferência (503) e o sinal de pressão de serviço (535) correspondente ao valor de pressão de frenagem de serviço produzido pelo submódulo de cálculo de uma pressão de frenagem de serviço (508) dentro do módulo de frenagem de serviço (507).
[075] O submódulo de seleção de pressão de frenagem de emergência de duas entradas (504) executa uma função de seleção. Em particular, o submódulo de seleção de pressão de frenagem de emergência de duas entradas (504) propaga na saída o sinal de pressão virtual correspondente ao sinal de pressão de serviço (535) quando o sinal de pressão de frenagem intermediário indicativo de uma frenagem de emergência (523) é inferior em um valor de pressão limite predeterminado (529), e propaga na saída o sinal de pressão virtual correspondente ao sinal de pressão de frenagem indicativo de uma frenagem de emergência (523) quando o sinal de pressão de frenagem intermediário indicativo de uma frenagem de emergência (523) é igual ou maior do que o valor de pressão limite predeterminado (529).
[076] O valor de limite predeterminado (529) pode ser representado por um valor disponível no código do módulo de frenagem de emergência (501).
[077] O sinal de controle de uma pressão de frenagem (524) é, então, propagado para um submódulo de controle de pressão (505) que fornece para gerenciar um atuador eletropneumático (506) através de sinais elétricos bidirecionais apropriados (525), transformando o sinal de controle de uma pressão de frenagem (524) na entrada para o módulo (505) em pressão real na entrada para o cilindro de freio (527).
[078] Um técnico no assunto está ciente dos elementos adicionais típicos de um sistema de frenagem ferroviária, relativos ao atuador eletropneumático (506), como tanques auxiliares ou sistemas de controle antiderrapante, não mostrados na Figura 5, uma vez que não estão estritamente relacionados ao conteúdo da presente invenção.
[079] A solução proposta destaca a independência funcional e de decisão do módulo de frenagem de emergência (501) do módulo de frenagem de emergência de serviço (507).
[080] Se o módulo de frenagem de emergência (501) for desenvolvido de acordo com os critérios SIL ≥ 3, a probabilidade de que uma solicitação de frenagem pneumática, incluindo pelo menos um sinal indicativo de uma solicitação de frenagem de emergência correspondente ao valor máximo da frenagem pneumática, não é aplicada ao cilindro de freio (527) está dentro dos critérios normalmente aceitos para um sistema pneumático tradicional equivalente, com custos mais baixos e maior precisão.
[081] Além disso, para qualquer tipo de falha de hardware ou software que possa ocorrer no módulo de frenagem de serviço (507), o submódulo de seleção de pressão de frenagem de emergência de duas entradas (504) do módulo de frenagem de emergência (501) irá, em qualquer caso, privilegiar a solicitação de frenagem de emergência, que está sempre trazendo o sistema global em uma condição segura.
[082] Esta solução permite, portanto, o desenvolvimento do módulo de frenagem de serviço (507) de acordo com os níveis de segurança SIL ≤ 2 como ocorre no estado da técnica, sem por isso aumentar os custos de desenvolvimento e os custos recorrentes do produto, mantendo o desempenho funcional inalterado.
[083] A Figura 6 ilustra uma segunda forma de realização do módulo de frenagem de emergência (501). O módulo de frenagem de emergência (501), desenvolvido em sua totalidade de acordo com os critérios SIL ≥ 3, replica pelo menos parte do que é descrito na forma de realização anterior, mas também inclui um submódulo de emergência predefinido (602) de atribuição de pressão de frenagem. O submódulo (602) de atribuição de pressão de frenagem de emergência predefinido recebe como entrada um segundo sinal indicativo de uma solicitação de frenagem de emergência. O segundo sinal indicativo de um pedido de frenagem de emergência, nesta forma de realização, é um sinal (604) indicativo de um pedido de frenagem de emergência vindo, por exemplo, mas não exclusivamente, de um circuito elétrico de emergência.
[084] Por circuito elétrico de emergência, por exemplo, é indicado um circuito elétrico que é capaz de detectar uma condição de frenagem de emergência e, consequentemente, gerar um sinal (604) indicando uma solicitação de frenagem de emergência.
[085] No caso de uma solicitação de emergência pelo sinal (604) indicando uma solicitação de frenagem de emergência proveniente do circuito elétrico de emergência, o submódulo de atribuição de pressão de frenagem de emergência predefinido (602) impõe um valor de pressão virtual predefinido a um respectivo sinal de pressão de frenagem de emergência (605).
[086] Em vez do submódulo de seleção de pressão de frenagem de emergência de duas entradas (504), um submódulo de seleção de pressão de frenagem de emergência de três entradas (606) está incluído, o que executa uma função de seleção.
[087] Em particular, o submódulo de seleção de pressão de freio de emergência (606) de três entradas: a) propaga na saída o sinal de pressão virtual correspondente ao sinal de pressão de serviço (535) quando o maior entre o sinal de pressão de frenagem de emergência (605) vindo do circuito elétrico de emergência e o sinal de pressão de frenagem intermediário indicativo de uma frenagem de emergência (523) é inferior a um valor de pressão de limite predeterminado (529); e b) propaga na saída o maior entre o sinal de pressão de frenagem de emergência (605) vindo do circuito elétrico de emergência e o sinal de pressão de frenagem intermediário indicativo de uma frenagem de emergência (523) quando o maior entre o sinal de pressão de frenagem de emergência (605) vindo do circuito elétrico de emergência e o sinal de pressão de frenagem intermediário indicativo de uma frenagem de emergência (523) é igual ou maior do que o valor de pressão de limite predeterminado (529).
[088] O sinal de controle de uma pressão de frenagem (607) proveniente do submódulo de seleção de pressão de frenagem de emergência de três entradas (606) é então propagado para o submódulo de controle de pressão (505) que fornece para gerenciar o atuador eletropneumático (506) através de sinais elétricos bidirecionais apropriados (525), transformando o sinal de controle de uma pressão de frenagem virtual (607) na entrada para o módulo (505) na pressão real na entrada para o cilindro de freio (527).
[089] Várias combinações podem ser criadas por meio dos submódulos do módulo de frenagem de emergência (501), por exemplo, modulando o valor do sinal de pressão de frenagem de emergência (605) com o valor do sinal de peso do veículo (528) por meio de um segundo submódulo de cálculo de uma segunda função de transferência (503) antes de enviar o referido valor do sinal de pressão de frenagem de emergência (605) para o submódulo de seleção de três entradas (606).
[090] Em uma forma de realização não mostrada, o pelo menos um sinal indicativo de um pedido de frenagem de emergência pode ser apenas um e ser apenas o sinal (604) indicativo de um pedido de frenagem de emergência vindo, por exemplo, mas não exclusivamente, de um circuito elétrico de emergência.
[091] Em uma outra forma de realização não exclusiva, o módulo de frenagem de emergência (501) não pode usar o sinal de pressão de tubulação de freio, mas apenas o sinal de pressão de freio de emergência (605), modulado ou não pelo sinal de peso (528).
[092] Uma extensão do que está descrito na Figura 5 e na Figura 6 é mostrada na Figura 7, na qual um freio regenerativo eletrodinâmico é usado durante a frenagem de emergência.
[093] O controle de tração atualmente consiste em inversores com base em arquiteturas DSP (Digital Signal Processor) não adequados para serem desenvolvidos de acordo com os critérios SIL ≥ 3.
[094] Portanto, é impossível confiar a solicitação de frenagem de emergência diretamente aos sistemas de tração, a menos que o controle de tração seja monitorado continuamente com um sistema SIL ≥ 3 durante a frenagem de emergência.
[095] A Figura 7 ilustra uma terceira forma de realização do módulo de frenagem de emergência (501), desenvolvido em sua totalidade de acordo com os critérios SIL ≥ 3.
[096] Um submódulo de decisão (702), também chamado de “módulo de mistura”, tem a função de decidir se o sinal de controle de uma pressão de frenagem (607) proveniente do submódulo de seleção de pressão de frenagem de emergência de três entradas (606) deve ser feito pneumaticamente por meio do submódulo de controle de pressão (505) e o submódulo do atuador eletropneumático (506) ou se deve ser adequadamente transformado em um sinal de solicitação de torque de frenagem (703) e ser enviado para sistemas de tração (não mostrados) diretamente através do canal de comunicação (536) ou propagado através do módulo de frenagem de serviço (507).
[097] O submódulo de decisão (702) recebe informações contínuas sobre o valor do sinal de torque de frenagem dos motores (704) detectado por um meio de sensor de torque adequado (705). O meio de sensor de torque (705), consistindo, por exemplo, mas não exclusivamente, em transformadores para medir as correntes geradas pelos motores em regeneração ou de transdutores de torque real a jusante dos motores, é desenvolvido segundo os critérios SIL ≥ 3, por exemplo através de canais redundantes e mutuamente diagnosticados.
[098] Desta forma, o caminho completo entre a medição do torque eletromotriz de frenagem a montante do meio de sensor de torque (705) até a decisão sobre como gerenciar o torque de frenagem do submódulo de decisão (702) está de acordo com os requisitos SIL ≥ 3.
[099] Na presença do sinal de controle de pressão de frenagem
(607) vindo do submódulo de seleção de pressão de frenagem de emergência de três entradas (606), o submódulo de decisão (702) transmite a solicitação de torque equivalente para o sistema de tração, mede a resposta real através do meio de sensor de torque (705), e se o valor resultante é menor do que o valor necessário, compensa imediatamente a quantidade em falta, solicitando-o do submódulo de controle de pressão (505) e do submódulo do atuador eletropneumático (506).
[0100] Em outras palavras, o módulo de frenagem de emergência (501) gera um torque de frenagem que requer torque de frenagem eletrodinâmica, monitorando continuamente o torque de frenagem eletrodinâmica por meio do sensor de torque (705) e compensa qualquer deficiência parcial ou total de torque de frenagem eletrodinâmica através da produção de torque de frenagem pneumático.
[0101] A solução ilustrada, portanto, garante a gestão e aplicação da frenagem de emergência no nível SIL ≥ 3 parcial ou totalmente através do sistema de frenagem eletrodinâmica regenerativa, independentemente do fato de o referido sistema de frenagem regenerativa eletrodinâmica e os sistemas através dos quais o submódulo transmite o sinal de solicitação de torque de frenagem (703) para o sistema de tração, são desenvolvidos de acordo com os critérios SIL ≤ 2.
[0102] Uma outra forma de realização adequada para gerenciar a frenagem de emergência em condições de alta velocidade também é descrita.
[0103] Sabe-se que o nível de aderência entre roda e trilho diminui à medida que a velocidade aumenta de acordo com uma lei qualitativamente declarada na Figura 8.
[0104] Um sinal de velocidade do veículo (706), adquirido através de um canal SIL ≥ 3, por exemplo, mas não exclusivamente, por meio de meios de sensor de velocidade (707) para girar as rodas redundantes e mutuamente diagnosticadas, é adquirido pelo submódulo de decisão (702) que limitará a solicitação de torque de frenagem eletrodinâmico e/ou pressão de frenagem dependendo da curva na Figura 8 previamente mapeada no submódulo de decisão (702).
[0105] Desta forma, o módulo de frenagem de emergência (501) é capaz de corrigir uma pressão de frenagem quando a aderência disponível varia de acordo com a velocidade do veículo.
[0106] Um técnico no assunto está ciente do fato de que o módulo de frenagem de serviço, em todas as suas formas de realização possíveis, pode ser implementado dentro do dispositivo TCMS e se comunicar com o módulo de frenagem de emergência através do canal de comunicação (536).
[0107] Um técnico no assunto também está ciente de que o sistema de acionamento pode ser do tipo hidráulico em vez do tipo pneumático.
[0108] Por exemplo, mas não necessariamente, o módulo de frenagem de serviço (507) é feito dentro de outros sistemas a bordo do trem.
[0109] Além disso, o módulo de frenagem de emergência (501) pode compreender mais de um grupo incluindo um submódulo de controle de pressão (505) e um atuador eletropneumático (506) para controlar de forma independente vários cilindros de freio, de acordo com a arquitetura característica do veículo.
[0110] Nas formas de realização descritas anteriormente, o módulo de frenagem de emergência (501) pode ser projetado de acordo com os requisitos de EN50128 SIL ≥ 3 e EN50129 SIL ≥ 3, e o módulo de frenagem de serviço (507) pode ser desenvolvido de acordo com os requisitos de EN50128 SIL ≤ 2 e EN50129 SIL ≤ 2.
[0111] Em particular, o módulo de frenagem de emergência (501) pode ser feito de acordo com arquiteturas redundantes com base em microprocessador ou por dispositivos programáveis redundantes, por exemplo,
mas não exclusivamente FPGAs, ou novamente por meio de um microprocessador e um FPGA.
[0112] Vários aspectos e formas de realização de um sistema de controle de frenagem eletrônico de um veículo ferroviário de acordo com a invenção foram descritos. Entende-se que cada forma de realização pode ser combinada com qualquer outra forma de realização. A invenção, além disso, não está limitada às formas de realização descritas, mas pode ser variada dentro do escopo definido pelas reivindicações anexas.
Claims (19)
1. SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO DE FRENAGEM DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO (500), caracterizado por incluir um módulo de frenagem de emergência (501) e um módulo de frenagem de serviço (507), cada um incluindo uma arquitetura eletrônica disposta para gerar um valor de pressão de frenagem, ditas arquiteturas eletrônicas sendo independentes e segregadas umas das outras; o módulo de frenagem de serviço (507) sendo disposto para receber pelo menos um sinal de solicitação de desaceleração ou frenagem de serviço (530) e para gerar um respectivo sinal de pressão de frenagem de serviço (535); o módulo de frenagem de emergência (501) sendo conectado ao referido módulo de frenagem de serviço (507) através de um canal de comunicação (536) para receber o referido sinal de pressão de frenagem de serviço (535); o módulo de frenagem de emergência (501) sendo disposto para receber pelo menos um sinal indicativo de uma solicitação de frenagem de emergência e para gerar um respectivo sinal de pressão de frenagem intermediário indicativo de uma frenagem de emergência (523, (605)); o referido módulo de frenagem de emergência (501) sendo disposto para: - gerar um sinal de controle de pressão de frenagem (524) correspondente ao sinal de pressão de frenagem de serviço (535), quando o mais alto entre os um ou mais sinais de pressão de frenagem intermediários indicativos de uma frenagem de emergência (523, (605)) for inferior a um valor de pressão limite predeterminado (529); - gerar um sinal de controle de pressão de frenagem (524) correspondendo ao mais alto entre os um ou mais sinais de pressão de frenagem intermediários indicativos de uma frenagem de emergência (523, (605)), quando o mais alto entre os um ou mais sinais de pressão de frenagem intermediários indicativos de frenagem de emergência (523, (605)) é igual ou superior ao valor de pressão limite predeterminado (529); e - converter o referido sinal de controle de pressão de frenagem (524) em uma pressão de frenagem controlando um atuador eletropneumático (506).
2. SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO DE FRENAGEM DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo, pelo menos um, sinal indicativo de uma solicitação de frenagem de emergência ser um sinal (520) indicativo do comando de pressão de um sistema de frenagem do veículo, do qual pelo menos um valor extremo é indicativo de uma condição de frenagem de emergência.
3. SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO DE FRENAGEM DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado por pelo menos um sinal indicativo de uma solicitação de frenagem de emergência ser um sinal (604) proveniente de um circuito elétrico de emergência.
4. SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO DE FRENAGEM DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo módulo de frenagem de emergência (501) ser projetado de acordo com os requisitos EN50128 SIL ≥ 3 e EN50129 SIL ≥ 3.
5. SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO DE FRENAGEM DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo módulo de frenagem de serviço (507) ser realizado de acordo com os requisitos EN50128 SIL ≤ 2 e EN50129 SIL ≤ 2.
6. SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO DE FRENAGEM
DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo módulo de frenagem de emergência (501) modular pelo menos um sinal indicativo de uma solicitação de frenagem de emergência com um sinal de peso (528) do veículo.
7. SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO DE FRENAGEM DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo módulo de frenagem de serviço (507) modular a desaceleração ou sinal de solicitação de frenagem de serviço com um sinal de peso (522) do veículo.
8. SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO DE FRENAGEM DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo módulo de frenagem de serviço (507) ser realizado dentro de outros sistemas de controle a bordo do trem.
9. SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO DE FRENAGEM DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo módulo de frenagem de emergência (501) estar conectado a um meio de sensor de torque (705) de frenagem eletrodinâmica.
10. SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO DE FRENAGEM DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelos referidos meios de sensor de torque (705) do torque de frenagem eletrodinâmica e seu gerenciamento serem projetados de acordo com os requisitos EN50128 SIL ≥ 3 e EN50129 SIL ≥ 3.
11. SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO DE FRENAGEM DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 10, caracterizado pelo referido módulo de frenagem de emergência (501) gerar um torque de frenagem requisitando torque de frenagem eletrodinâmica, monitorando continuamente o torque de frenagem eletrodinâmica por meio dos referidos meios de sensor de torque (705), e compensa uma possível deficiência de torque por meio da produção de torque de frenagem pneumático.
12. SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO DE FRENAGEM DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo referido módulo de frenagem de emergência (501) corrigir uma pressão de frenagem de acordo com a aderência disponível em função da velocidade do veículo.
13. SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO DE FRENAGEM DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo referido canal de comunicação (536) ser um canal sem fio.
14. SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO DE FRENAGEM DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo referido canal de comunicação (536) ser feito por um barramento.
15. SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO DE FRENAGEM DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo referido canal de comunicação (536) ser feito através de soluções de linha com fio.
16. SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO DE FRENAGEM DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizado por compreender ainda um submódulo de controle de pressão (505) disposto para gerenciar um ou mais atuadores eletropneumáticos (506).
17. SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO DE FRENAGEM DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 16, caracterizado pelo módulo de frenagem de emergência
(501) ser feito de acordo com uma arquitetura incluindo um ou mais microprocessadores.
18. SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO DE FRENAGEM DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 16, caracterizado pelo módulo de frenagem de emergência (501) ser feito de acordo com uma arquitetura incluindo um ou mais dispositivos programáveis.
19. SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO DE FRENAGEM DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 16, caracterizado pelo módulo de frenagem de emergência (501) ser feito de acordo com uma arquitetura incluindo um ou mais microprocessadores e um ou mais dispositivos programáveis.
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