"Najlepszą metodą przewidywania przyszłości jest jej tworzenie" - Peter Drucker   

Główne Menu


Strona Główna


PSTT
· O Stowarzyszeniu
· Wydarzenia
· Statut


Redakcja wortalu
· O Nas
· Kontakt

Artykuły
· Telematics
· Transport

Inne
· Słownik telematyczny
· Konferencje
· Polecamy
· Do pobrania
· FAQ

Partnerstwo


Szukaj


Artykuły :: Transport :: Autorski

MODEL SYSTEMU ZDALNEJ DIAGNOSTYKI NAPĘDÓW ZWROTNICOWYCH Z WYKORZYSTANIEM SIECI BEZPRZEWODOWYCH KRÓTKIEGO ZASIĘGU
Jakub MŁYŃCZAK,Przemysław GORCZYCA
2006-08-20 22:15:27

1. WSTĘP
Wraz ze wzrostem maksymalnych prędkości na liniach kolejowych, przy jednoczesnym unowocześnianiu urządzeń sterowania ruchem kolejowym, zachodzi potrzeba rozwoju systemów diagnostyki zarówno całych systemów, jak i pojedynczych elementów. Szczególnie ważna dla bezpieczeństwa prowadzenia ruchu jest diagnostyka pracy napędów zwrotnicowych i rozjazdów.


2. KONCEPCJA
Głównym założeniem projektowanego systemu diagnostycznego jest zdalny pomiar możliwie dużej liczby parametrów pracy napędu zwrotnicowego w sposób zdalny.
Podczas prac koncepcyjnych nad urządzeniem należało rozważyć następujące kwestie:
- rodzaj i zakres mierzonych parametrĂłw;
- wybór czujników pomiarowych z uwzględnieniem warunków środowiskowych;
- sposób komunikacji z urządzeniami nadrzędnymi (rejestracja, analiza, wizualizacja);
- sposób zasilania układu;
- gabaryty urządzenia uwzględniające różnego typu napędy.


3. RODZAJ I ZAKRES MIERZONYCH PARAMETRÓW
Dla określenia parametrów i właściwości układu niezbędny jest:
- pomiar wilgotności i temperatury;
- pomiar drgań;
- pomiar prądów nastawczych;
- pomiar prądów kontrolnych;
- pomiar napięć.


3.1. POMIAR TEMPERATURY I WILGOTNOŚCI
Zgodnie z zapisami zawartymi w [1] zakres temperatur wewnątrz napędu zwrotnicowego powinien wynosić - 30o do + 70oC, a zakres wilgotności 0 do 90%. Tym samym przy wyborze czujnika pomiarowego należy przyjąć następujące zakresy pomiarowe:
- dla temperatury: - 40oC do + 80oC
- dla wilgotności: 0 do 100%

Uwzględniając powyĹźsze wymagania wybrano czujnik SHT7x firmy Sensirion. Czujnik zapewnia pomiar wilgotności w zakresie od 0 do 100% z dokładnością +/- 2%RH; pomiar temperatury od -40°C do 120°C z dokładnością +/-0.5°C. Zaletami proponowanego czujnika sa:
- możliwość wymiany końcówki pomiarowej bez konieczności ponownego wzorcowania,
- czas reakcji układu <3s,
- ponadto układ posiada wygodne wyprowadzenia do montażu. Układ czujnika SHT7x zapewnia pełny odczyt przy pomocy cyfrowego 2-liniowego wyjścia.


Rys. 1. Układ SHT7x do pomiaru temperatury i wilgotności


3.2. POMIAR DRGAŃ
Ważnym parametrem, określającym stan napędu zwrotnicowego, rozjazdu oraz całego układu napęd rozjazd są drgania. Czujniki drgań pozwolą na określenie jakim drganiom poddawany jest napęd zwrotnicowy podczas przestawiania rozjazdu oraz podczas przejazdu taboru. Informacja o zmianach amplitudy drgań w czasie wskaże stan napędu, jego części składowych takich jak silnik, przekładnia, układ przeniesienia napędu oraz stan rozjazdu. Pomiar powinien obejmować trzy osie a zakres rejestrowanych drgań powinien zawierać się w zakresie 0 do 30G (na podstawie wytycznych zawartych w [1] dopuszczalne drgania powinny wynosić 0 do 200G - zdaniem autorów jest to wielkość przekroczona o rząd wielkości).

Do zastosowania w układzie wybrano czujnik TO-5 firmy PCBPiezotronics. Czujnik zapewnia pomiar w zakresie przyspieszeń 0 do 50G przy częstotliwości 0,32Hz do 10kHz i temperaturze pracy od -54oC do +85oC.
Dalsze badania pozwolą na określenie optymalnej liczby czujników pomiarowych a także miejsc pomiarowych w zależności od typu napędu.


Rys. 2. Czujniki OEM do pomiaru drgań


3.3. POMIAR PRĄDÓW I NAPIĘĆ
Pomiar napięć w obwodzie zasilania oraz prądu płynącego podczas przestawiania rozjazdu jest ważnym parametrem mówiącym o stanie rozjazdu i napędu. Ważnym jest, aby przeprowadzić szereg testów, które pozwolą na stworzenie modelowych charakterystyk prądowych napędu zwrotnicowego. Wcześniejsze badania [3] dowiodły, że można wykorzystać wartość prądu nastawczego jako informację diagnostyczną o oporach przestawiania, oraz ewentualnie o stanie połączeń kablowych. W proponowanym rozwiązaniu poszerzono możliwości urządzenia diagnostycznego o pomiar innych parametrów. Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono przykładowe charakterystyki prądowe dla napędów zwrotnicowych EEA-4 i EEA-5.


Rys. 3. Wartość prądu nastawczego w funkcji oporów przestawiania dla napędu EEA-4


Rys. 4. Wartość prądu nastawczego w funkcji oporów przestawiania dla napędu EEA-4

W celu zebrania pełnej informacji o napięciach i prądach w obwodzie sterowania, zastosowane zostaną 3 przekładniki prądowe i 2 przekładniki napięciowe, a w obwodzie kontrolnym po jednym przekładniku prądowym i jednym napięciowy. Oczekiwane dopuszczalne prądy i napięcia obwodu sterowania wynoszą odpowiednio 20A i 380V. Oczekiwane dopuszczalny prąd i napięcie w obwodzie kontrolnym wynosi odpowiednio <1A i 24V. Do zastosowania w układzie wybrano przekładniki firmy Feryster, które ze względu na małe wymiary są wykonywane na zamówienie.


4. UKŁAD PRZETWARZANIA
Wybrane czujniki pomiarowe wymagają do obsługi 2 wejść cyfrowych (pomiar temperatury i wilgotności) oraz 10 wejść analogowych (pomiar drgań, prądów i napięć). Zależnie od zastosowanej jednostki centralnej wymagane będzie zastosowanie zewnętrznych przetworników a/c i/lub multiplekserów analogowych. Większe wpływ na wybór jednostki centralnej ma zastosowany system transmisji.


4.1. SYSTEM TRANSMISJI DANYCH
W analizowanym przypadku transmisja danych z urządzeń telemetrycznych nie wymaga stosowania mechanizmów zabezpieczających dane przed sfałszowaniem (szyfrowanie), dezaktulizacją (stempel czasowy) czy naruszeniem sekwencyjności (numery sekwencyjne). Również nie jest wymagany wysoki poziom niezawodności na poziomie medium transmisyjnego - ze względu na nieograniczanie czasu dostarczenia danych z urządzeń pomiarowych, niezawodność może być realizowana poprzez wielokrotny przekaz z potwierdzeniem, aż do uzyskania prawidłowej informacji.

W przypadku projektowanego systemu telemetrycznego znaczny udział w kosztach miałoby okablowanie. Wynika to bezpośrednio z wielkości obszaru na jakim system ma działać.

W związku z powyższym do transmisji danych zdecydowano wykorzystać cyfrową łączność radiową. Takie podejście poza zredukowaniem kosztów wdrożenia i utrzymania systemu zwiększy jego elastyczność - włączenie nowego urządzenia do systemu wymaga jedynie nadania unikalnego adresu, jednoznacznie identyfikującego urządzenie - nie wymaga natomiast angażowania czasu i kosztów w rozwój infrastruktury.
W oparciu o [2], do celów transmisji danych wybrano dwa zakresy częstotliwości: 430,00-433,05MHz oraz 433,05-434,79MHz. Pierwszy zakres jest dedykowany zastosowaniom amatorskim ogólnego przeznaczenia, drugi jest jednym z zakresów dedykowanych celom telemetrii. Moc nadajnika w obu pasmach jest ograniczona przepisami do 10mW (mierzona w odległości 10m od nadajnika), z kanałem o szerokości 25kHz, przy możliwości stosowania dołączanych anten.

Ze względu na mały zasięg - uwzględniając ograniczenia mocy wynikające z przepisów, transmisja z maksymalną prędkością może odbywac się na dystansie 50m, a maksymalna odległość pomiędzy transceiverami może wynosić 2km - komunikacja z centralnym komputerem diagnostycznym odbywać się powinna poprzez punkty zbiorcze, odpowiedzialne za zebranie komunikatów od lokalnych urządzeń diagnostycznych i przekazanie ich do komputera diagnostycznego.

Komunikacja pomiędzy punktami zbiorczymi a komputerem diagnostycznym może odbywać się poprzez kabel telekomunikacyjny lub w oparciu o np. sieć komórkową i standard SMS lub z wykorzystaniem GPRS.



Rys. 5. Schemat systemu diagnostycznego

Wybór środków komunikacji pomiędzy punktami zbiorczymi a komputerem diagnostycznym będzie przedmiotem późniejszych rozważań. Zakres 430,00-433,05MHz został wybrany do wstępnych testów systemu - częstotliwość 433MHz jest obsługiwana przez wiele fabrycznych modułów transceiverów, gotowych do działania bez skomplikowanych procedur strojenia. Zakres 433,05-434,79MHz należy traktować jako docelowy - jest to zakres przeznaczony do celów telemetrycznych i nie jest tak obciążony jak 430,00-433,05MHz - po wstępnych testach systemu, właśnie w tym zakresie powinna odbywać się transmisja danych. Z uwagi na oba zakresy częstotliwości wybrano układ CC1010 firmy Chipcon, będący połączeniem mikrokomputera jednoukładowego i transceivera uniwersalnego.


4.2. JEDNOSTKA CENTRALNA
Układ CC1010 firmy Chipcon charakteryzuje się następującymi cechami;
- zintegrowanie transceivera z układem mikrokomputera jednoukładowego (rodziny 8051);
- możliwość ustalenia częstotliwości pracy transceivera w zakresie 300-1000MHz;
- fabryczne moduły w oparciu o układ na częstotliwość 315/433/868/915 MHz;
- sprzętowy moduł kryptograficzny (algorytm DES);
- 3-kanałowy przetwornik A/C o rozdzielczości 10 bitów;
- 4 timery-liczniki;
- zegar czasu rzeczywistego RTC;
- watchdog;
- 26 uniwersalnych linii I/O;
- niskie napięcie zasilania 2,7...3,6V i mały pobór prądu;
- możliwość pracy w zakresie temperatur -40...+85oC;
- pamięć programu o pojemności 32kB typu Flash;
- pamięć danych o pojemności 2 kB.

Konstrukcja urządzenia prototypowego pracującego na częstotliwości 433MHz oparta będzie na module fabrycznym. Zarówno do poprawnej pracy transceivera jak i układu przetwarzania wymagane będzie użycie dodatkowych układów peryferyjnych.


4.3. UKŁADY PERYFERYJNE
Ponieważ zastosowanie 4 przekładników prądowych i 3 przekładników napięciowych oraz 3 czujników drgań wymaga zastosowania większej ilości wejść analogowych niż oferuje układ CC1010, dodatkowo zastosowano popularne scalone multi/demultipleksery analogowe serii 4051, pozwalające na swobodne przełączanie ośmiu źródeł sygnału do jednego wejścia analogowego poprzez adresowanie za pomocą 3 wejść cyfrowych.

W celu poprawy zasięgu należy zrezygnować z typowych dla urządzeń pracujących w paśmie 433MHz anten drutowych lub anten SMT (Surface Mount), na rzecz anten prętowych. Pozwoli to na objęcie większego obszaru dozorem urządzenia nadrzędnego.

5. PODSUMOWANIE
W chwili obecnej powstaje urządzenie prototypowe pracujące w paśmie 433MHz, które pozwoli na zweryfikowanie poprawności przyjętych założeń konstrukcyjnych, oraz określi zakres możliwej realizacji studium koncepcyjnego układu.
Projektowane urządzenie pozwoli na:
- podniesienie poziomu bezpieczeństwa prowadzenia ruchu,
- usprawnienie procesu diagnostycznego i eksploatacyjnego,
- zwiększenie zakresu mierzonych parametrów.

Dotychczasowe badania [3][4] w tym zakresie wykazały celowość usprawnienia diagnostyki napędu zwrotnicowego, a brak kompleksowych rozwiązań w skali światowej stanowi ważny argument dla powstania opisanego urządzenia.


BIBLIOGRAFIA
1. "Wymagania bezpieczeństwa dla urządzeń sterowania ruchem kolejowym", CNTK, Warszawa 1998
2. Rozporządzenie ministra infrastruktury z dnia 6 sierpnia 2002 roku (Dz.Ust. nr 138) "w sprawie urządzeń radiowych nadawczych lub nadawczo-odbiorczych, które mogą być używane bez pozwolenia"
3. J.Mikulski, J.Młyńczak "Drive Points Remote Control", I Międzynarodowa konferencja Telematyka Systemów Transportowych, Ustroń 2001
4. J.Mikulski, J.Młyńczak "Komputerowa diagnostyka napędu zwrotnicowego", Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Nr 43, Seria Transport, Gliwice 2001

Logowanie

Użytkownik

Hasło


Załóż konto

Zapomniałem hasła

Nowe artykuły


Ankieta




Ogółem głosów: 0

Wyniki poprzednich ankiet


©NET-DESIGN 2007