MXPA04002155A - Sistema de aire comprimido y metodo de control. - Google Patents

Abstract

Un sistema (10) de aire comprimido, en donde se toma una decision para desenergizar un motor (14) del compresor tomando en cuanta la necesidad de operacion del compresor (12) en un momento futuro. Se puede extrapolar una decadencia de presion en el deposito (16) de aire sobre un periodo predeterminado de tiempo para pronosticar la necesidad de operacion del compresor dentro del periodo de tiempo. Cuando se pronostica la operacion del compresor para estar dentro de un periodo de tiempo predeterminado, se permite al compresor continuar su marcha en un modo de descarga mas alla del periodo normal de enfriamiento.

Description

SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO Y MÉTODO DE CONTROL Esta solicitud reclama el beneficio de la solicitud provisional, presentada el 6 de marzo de 2003, que tiene un número de solicitud 60/452,621, la cual es incorporada aquí como referencia.

CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se relaciona en general con sistemas de aire comprimido, y más en particular, a un sistema de aire comprimido para una locomotora.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los sistemas de aire comprimido se utilizan para proporcionar energía para accionar una variedad de dispositivo en una diversidad de aplicaciones. Una aplicación como esta es una locomotora ferroviaria en donde el aire comprimido se utiliza para activar los frenos de aire de la locomotora y los sistemas de control neumático.

Un sistema de aire comprimido típico incluirá un depósito para almacenar un volumen de aire comprimido. Un compresor accionado por motor se utiliza para mantener la presión del aire en el depósito dentro de un intervalo deseado de presiones. La presión del depósito puede ser más alta que la presión demandada por un dispositivo suministrado por el sistema, en cuyo caso se puede utilizar un regulador de presión para reducir la presión suministrada al dispositivo. El volumen almacenado de aire comprimido en el depósito proporciona la inercia que permite al compresor ser pequeño que lo que sería necesario cuando el compresor suministrado a los dispositivos individuales en forma directa. Además, el volumen almacenado del aire comprimido en el depósito permite al compresor ser puesto en los ciclos encendido y apagado menos frecuentemente de lo que sería necesario en un sistema de suministro directo. Esto es importante ya que los transientes eléctricos y mecánicos que se generan durante el evento de encendido del motor/compresor puede ser un reto importante para el motor del compresor y para los contactos eléctricos asociados. El tamaño y las presiones operativas del compresor y del depósito en un sistema de aire comprimido son cuestiones de diseño. Un depósito más grande, de presión más alta reducirá el ciclo de servicio del motor del compresor, pero están asociadas con las restricciones del costo, tamaño y peso asociadas, las cuales deben ser consideradas. Además, los puntos de ajuste del sistema de control utilizados para controlar los inicios y detenciones del compresor pueden variar dentro de los límites totales del sistema. Los sistemas de aire comprimido para locomotora están diseñados con el beneficio de la experiencia acumulada durante la operación de generaciones de locomotora. Sin embargo, a pesar de la optimización del diseño del sistema, ha habido casos de condiciones de operación específica únicas para una locomotora particular o grupo de locomotoras que resultan en un ciclo de servicio indeseablemente alto para el motor del compresor de aire. Debido a que las condiciones específicas de la locomotora pueden ser transientes y pueden no ser representativas de las condiciones experimentadas por una flotilla entera de locomotoras, no es necesariamente deseable también afinar los componentes del sistema de aire comprimido en respuesta a tales condiciones. De este modo, se desea un sistema de aire comprimido que sea menos susceptible a ciclos excesivos del motor del compresor.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es un diagrama esquemático de un sistema de aire comprimido. La Figura 2 ilustra los pasos incorporados en el lógico en el controlador del sistema de aire comprimido de la Figura 1. La Figura 3 ilustra la presión contra el tiempo para dos diferentes condiciones operativas en el sistema de aire comprimido de la Figura 1.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN En la Figura 1 se ilustra un sistema 10 de aire comprimido mejorado como se puede utilizar en una locomotora y otra aplicación. El sistema incluye un compresor 12 que es accionado por un motor 14 eléctrico para proporcionar un flujo de aire comprimido a un depósito o tanque 16 de almacenamiento. Un suministro de energía se puede acoplar a través de un relé 18 u otro dispositivo de conmutación eléctrica para energizar al motor 14. El relé 18 se coloca en forma selectiva para energizar o des-energizar el motor 14 en respuesta a una señal de control del motor generada por el controiador 20. el flujo de aire comprimido se dirige al depósito 16 cuando una válvula 22 de desviación en la línea de suministro de aire comprimido está cerrada, es decir, en un modo o posición cargada del compresor. El flujo de aire comprimido se ventila hacia la atmósfera cuando la válvula 22 de desviación está abierta, es decir en una posición o modo de descarga del compresor. Una válvula 24 de revisión evita que el aire comprimido en el tanque 16 se escape a través de la línea de suministro de aire comprimido. El controiador 20 proporciona una señal de control a la válvula 22 de desviación para dar instrucciones sobre la posición deseada de la válvula de desviación. El sistema de aire comprimido de la Figura 1 también incluye un transductor 26 de presión para proporcionar una señal de presión que responde a la presión de aire en el depósito 16. La señal de presión es provista como una entrada para el controiador 20, y esta señal se utiliza en combinación con un parámetro de tiempo medido por un cronómetro 28 para determinar un parámetro relacionado con la presión en el depósito, como se describirá más adelante. La Figura 2 ilustra los pasos ejemplificativos en un método 50 que se puede implementar por el lógico ejecutado en el controiador 20 (Figura 1) en un módulo 51 de control para reducir los ciclos de servicio experimentados por el motor del compresor. El lógico se puede almacenar en un dispositivo de memoria y/o incorporarse en un programa o programa permanente y el controlador puede ser una computadora personal un procesador análogo o digital, u otro dispositivo conocido en la técnica. El método puede empezar con un paso 52 de decisión en donde la presión en el depósito (P), medida por el transductor 26 de presión (Figura 1) se compara con un punto de ajuste límite de especificación inferior (LSL). Cuando la presión real ha caído por debajo del punto de ajuste inferior, el controlador 20 producirá una señal en el motor apropiada para colocar al relé 18 para energizar al motor en el paso 54. En este punto, la válvula 22 de desviación (Figura 1) se abre y el motor inicia al compresor 12 en un modo de descarga. Un tiempo predeterminado después, como aproximadamente 2 segundos, una vez que el compresor ha alcanzado la velocidad, el controlador 20 producirá una señal de cierre de válvula en el paso 56 para poner en posición la válvula de desviación para cargar al compresor. El compresor entregará un flujo de aire comprimido al depósito, hasta que, como se determina en el punto 58 de decisión, la presión P en el depósito exceda un punto de ajuste límite de especificación superior (USL), momento se le indicará a la válvula de desviación que se abra para colocar al compresor en un modo de descarga y una función sincronizadora se ajustará a T=0, como se indica en el paso 60. Se conoce que el compresor marche en el modo de descarga por un período de enfriamiento predeterminado, típicamente 30 segundos, después de su operación en el modo de carga con el fin de enfriar la cabeza del compresor y los contactos de relé del motor. Un método que incorpora aspectos de la presente invención permitirá que el compresor marche en el modo de descarga por un período más prolongado cuando el parámetro medido indique la probabilidad de que el flujo de aire comprimido desde el compresor sea requerido otra vez dentro de un período de tiempo seleccionado. Una modalidad de la presente invención utiliza la proporción de decadencia de la presión en el depósito para pronosticar la presión en el depósito en un momento futuro, como se indica en el paso 62, y cuando como se indica en los pasos 64 y 66, el valor de la presión pronosticada en el punto futuro es menor que el punto de ajuste del límite de especificación inferior, se permite al compresor marchar en el modo de descarga más allá del período de enfriamiento normal, como se indica en el paso 68. Por ejemplo, al medir la presión en el depósito en dos diferentes tiempos, como a intervalos de 9 segundos y después dividir la diferencia en esas dos presiones por el intervalo de tiempo que calculará una proporción de decadencia promedio de la presión. La proporción de decadencia promedio de la presión después se extrapola a un tiempo futuro en el tiempo, por ejemplo a un tiempo de 86 segundos después del inicio del período de enfriamiento (T=86 segundos). Cuando, como se determina en el punto 64 de decisión, que la presión pronosticada es mayor que el punto de ajuste de límite de especificación inferior , entonces, como se indica en los pasos 70 y 72, se permite al motor ser des-energizado al final de un período normal de enfriamiento de 30 segundos. Sin embargo, cuando la presión pronosticada es menor que el punto de ajuste límite de especificación inferior, se le permite al motor marchar en el modo de descarga hasta que se indique lo contrario. Esto es, se permite al compresor marchar en el modo de descarga por un primer período de enfriamiento. En este caso, cuando la presión P en realidad, cae por debajo del punto de ajuste límite inferior, el compresor sigue marchando y rápidamente se puede colocar en el modo de carga al dar instrucciones a la válvula de desviación para que se cierre, lo cual reduce el ciclo de servicio en el motor del compresor. El método responde a las situaciones en donde la presión en el depósito se consume a una velocidad, lo que de otra forma daría como resultado inicios y detenciones excesivas del motor del compresor, mientras que todavía se permite utilizar un período de enfriamiento normal de 30 segundos de descarga, cuando la caída de presión en el depósito está a proporciones más bajas normales. Esto es, en caso de que el motor se desenergice el final de un segundo período de enfriamiento, Los sistemas y métodos anteriores de control que se basaban solamente en los puntos de ajuste de presión no respondían a las proporciones de cambio de presión y por lo tanto no eran capaces de proporcionar la capacidad de respuesta de la presente invención. La Figura 3 ¡lustra un esquema de presiones ejemplificativas en el depósito contra el tiempo para dos diferentes situaciones en el sistema de la Figura 1, como se puede controlar por el método de la Figura 2. En el lado izquierdo de la Figura 2, la presión se incrementa con el tiempo mientras que el compresor marcha en el modo de carga. En el tiempo T = 0, se alcanza el límite de especificación superior y la válvula de desviación se abre mientras que el compresor continúa marchando en el modo de descarga. La curva A representa una situación en donde la demanda de aire comprimido es relativamente baja y la presión dentro del depósito decae a una proporción relativamente lenta. En esta situación, la proporción de decadencia promedio de la presión extrapolada a T = 86 segundos pronosticará una presión para que se mantenga sobre el límite de especificación inferior, por lo tanto el motor del compresor se apagará al final de un período de enfriamiento de 30 segundos. La curva B representa un caso en donde la demanda para el aire comprimido es relativamente alta y la presión dentro del depósito decae a una velocidad relativamente rápida. En esta situación, la velocidad de decadencia promedio de presión extrapolada a T=86 segundos pronosticará la presión para estar por debajo del límite de especificación inferior, por lo tanto se permitirá que el motor del compresor marche en el modo de descarga al final de un período de enfriamiento de 30 segundos. Cuando la presión finalmente cae por debajo del punto de ajuste límite de especificación inferior a aproximadamente T = 58 segundos, el compresor se regresa al modo de carga al cerrar la válvula de desviación sin tener que volver a energizar el motor del compresor. La velocidad de los procesadores modernos permite hacer cálculos muchas veces por segundo, es decir cada 100 milisegundos. En una modalidad ejemplificativa, el controlador 20 puede calcular una velocidad promedio de decadencia de presión de nueve segundos para actualizarse con la presión pronosticada para un punto predeterminado en el tiempo. El punto futuro en el tiempo para el pronóstico se puede seleccionar tomando en cuenta los datos operativos históricos para tales sistemas, y/o se puede seleccionar para facilitar la ¡mplementación del equipo físico. Se puede apreciar que se pueden utilizar otros parámetros relacionados con la decadencia de presión en el depósito. Por ejemplo, se pueden contemplar otras modalidades en donde se puede utilizar una primera u otra derivada de presión contra el tiempo en el lógico de control. En otras modalidades, la velocidad de decadencia de presión se puede extrapolar sobre un período variable de tiempo en respuesta a diferentes condiciones operativas o modos de la locomotora o del sistema de suministro de aire comprimido. Tales extrapolaciones pueden ser lineales o no lineales. En la forma más general, la presente invención incorpora una estrategia para pronosticar la siguiente solicitud para encender el motor de accionamiento del compresor, y cuando esa solicitud se pronostica para estar dentro de un período de tiempo corto, entonces se permite al compresor marchar en el modo de descarga para reducir el ciclo de servicio y de prolongar la vida del componente. Los aspectos de la presente invención se pueden incorporar en forma de procesos implementados por computadoras y aparatos para practicar esos procesos. Los aspectos de la presente invención también se pueden incorporar en forma de un código de programa de computadora que contiene instrucciones legibles por computadora incorporadas en un medio tangible, como discos flexibles, CR-ROM, discos duros y otros medios de almacenamiento legibles por computadora, cuando se carga el código de programa de computadora y se ejecuta por la computadora, la computadora se convierte en un aparato para practicar la invención. Los aspectos de la presente Invención también se pueden incorporar en forma de un código de programa de computadora, por ejemplo, ya sea almacenado en un medio de almacenamiento, cargado y/o ejecutado por una computadora o transmitido sobre un medio de transmisión, como cableado eléctrico, a través de fibras ópticas, o por radiación electromagnética, que cuando se carga el código de programa en la computadora y se ejecuta por la misma, la computadora se convierte en un aparato para practicar la invención. Cuando se ¡mpiementa en una computadora de propósitos generales, los segmentos de código de programa de computadora configuran la computadora para crear circuitos lógicos específicos o módulos de procesamiento. Otras modalidades pueden ser un microcontrolador, como un microcontrolador dedicado, un dispositivo de arreglo de pasarela programable de campo (FPGA), o un dispositivo de circuito integrado de aplicación específica (ASIC). Mientras que se han mostrado y descrito las modalidades preferidas de la invención, será evidente que tales modalidades son provistas solamente como ejemplos. Las personas experimentadas en la técnica podrán contemplar varios cambios y sustituciones sin

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Un método para controlar la operación de un sistema (10) de aire comprimido para una locomotora ferroviaria, la cual comprende un compresor (12) de aire y un depósito (16) para recibir aire bajo presión desde el compresor de aire, el método está caracterizado porque comprende: iniciar la operación del compresor de aire cuando el aire en el depósito cae por debajo de un nivel predeterminado inferior para suministrar aire bajo presión en el depósito; terminar la entrega de aire bajo presión en el depósito cuando la presión del aire en el depósito exceda un nivel predeterminado superior; con la presión del aire en el depósito cerca del nivel predeterminado superior o en el mismo, pronosticar cuando se va a iniciar la siguiente operación del compresor de aire; cuando se ajusta la iniciación pronosticada para que ocurra en un período predeterminado de tiempo, continuar operando el compresor de aire mientras se ventila el aire comprimido entregado al compresor de aire hasta que la presión del aire en el depósito caiga a un nivel predeterminado inferior y después dirigir el aire bajo presión entregado por el compresor de aire al depósito; y cuando la iniciación pronosticada se ajusta para que ocurra después de un período predeterminado de tiempo, terminar la operación del compresor de aire hasta que la presión del aire en el depósito caiga a un nivel predeterminado inferior, lo cual reduce los ciclos de operación del compresor de aire entre la iniciación de operación y la terminación de operación.

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la presión del aire en el depósito de aire cae por debajo de una fuga de aire en el sistema y luego del uso del aire en la locomotora y el pronóstico se basa en el cálculo de la velocidad a la cual caerá la presión del aire en el depósito de aire.

3. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el pronóstico se basa en una proyección lineal.

4. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el pronóstico se basa en una proyección no lineal.

5. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el pronóstico se basa en monitorear el uso de aire comprimido en la locomotora.

6. Un sistema (10) de aire comprimido para una locomotora ferroviaria caracterizado porque comprende: un compresor (12) de aire; un motor (14) eléctrico para accionar el compresor de aire; un depósito (16) de aire para recibir aire a presión desde el compresor de aire; una válvula (22) para ventilar el aire bajo presión desde el compresor de aire; un sensor (26) para medir un parámetro indicativo de la presión del aire en el depósito de aire; y un controlador (20) para controlar la operación del motor eléctrico y la válvula para: iniciar la operación del motor eléctrico para accionar el compresor de aire cuando el aire en el depósito cae por debajo de un nivel inferior predeterminado para entregar aire a presión al depósito; abrir la válvula para terminar la entrega del aire a presión al depósito cuando la presión del aire en el depósito excede un nivel superior predeterminado; con la presión del aire en el depósito cerca del nivel superior predeterminado o en el mismo, pronosticar cuando se iniciará la siguiente operación del motor eléctrico para accionar al compresor de aire; cuando la iniciación pronosticada se ajusta para ocurrir dentro de un período de tiempo predeterminado, continuar operando el motor eléctrico para accionar el compresor de aire mientras se mantiene la válvula (22) abierta para ventilar el aire comprimido entregado por el compresor de aire, la operación del motor continúa hasta que la presión del aire en el depósito cae por debajo de los niveles inferiores predeterminados y después cerrar la válvula (22) para dirigir el aire a presión suministrado por el compresor de aire al depósito; y cuando la iniciación pronosticada se ajusta para ocurrir a un período predeterminado de tiempo, terminar la operación del motor eléctrico que acciona el compresor de aire hasta que la presión del aire en el depósito caiga al nivel inferior predeterminado.

7. Un sistema (10) de aire comprimido caracterizado porque com prende: un compresor (12); un motor (14) para accionar el compresor; un depósito (16) para almacenar el aire comprimido por eí compresor; una válvula (22) para dirigir en forma selectiva el aire comprimido producido por el compresor a uno del depósito y la atmósfera; un transductor (26) de presión que produce una señal de presión que responde a la presión del aire en el depósito; un controlador (20) acoplado con el transductor de aire, la válvula de desviación y el motor; y un módulo (15) de control en el controlador para controlar al motor y la válvula de desviación y que responde a una velocidad de cambio del presión en el depósito.

8. El sistema de aire comprimido de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el módulo (51) de control está configurado para operar al compresor (12) en el modo de carga para aumentar la presión del aire en el depósito a un valor superior predeterminado, el módulo de control también está configurado para determinar un parámetro que responde a un cambio en la presión del aire en el depósito sobre un período de tiempo, y para usar el parámetro para decidir si operar o no el compresor en el modo de descarga por un primer período de enfriamiento después de que la presión del aire en el depósito alcanza el valor superior predeterminado.

9. El sistema de aire comprimido de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el módulo de control se configura para determinar una velocidad para disminuir la presión de aire en el depósito.

10. El sistema de aire comprimido de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el módulo de control se configura para procesar la velocidad de disminución en la presión del aire para pronosticar un valor de presión de aire en el depósito en un futuro momento.

11. Un método para controlar un sistema de aire comprimido (10), el sistema comprende un compresor (12) de aire energizado por un motor (14) para entregar aire comprimido a un depósito (16) cuando el compresor opera en el modo de carga y también comprimir una válvula (22) de desviación para desviar el aire comprimido lejos del depósito cuando el compresor corre en un modo de descarga, el método está caracterizado porque comprende: pronosticar una siguiente solicitud para encender al motor del compresor; y cuando la solicitud se pronostica para estar en un tiempo suficientemente corto, permitir al compresor marchar en el modo de descarga, lo cual reduce el ciclo operativo de servicio del sistema de aire comprimido.

12. El sistema de aire comprimido, caracterizado porque comprende: un compresor (12), un motor (14) para accionar al compresor; un depósito (16) para almacenar el aire comprimido al compresor; una válvula (22) de desviación para dirigir en forma selectiva el aire comprimido producido por el compresor a uno del depósito y la atmósfera; y un controlador (20) acoplado con la válvula de desviación y el motor, el controlador está configurado para pronosticar una siguiente solicitud para encender el motor del compresor, cuando la solicitud se pronostica para estar dentro de un período de tiempo suficientemente corto, el controlador se configura para permitir al compresor marchar en el modo de descarga, lo cual reduce el ciclo operativo de servicio del sistema de aire comprimido.