Петербургский государственный университет путей сообщения
УДК 629.423:621.3.025
Оптимизация цепей управления электрическими аппаратами электроподвижного состава применением мультиплексных каналов
Екатерина Владимировна, аспирант
кафедры «Электрическая тяга»
г. Санкт-Петербург
Обычная коммуникация электрического оборудования, при которой каждому сигналу управления соответствовал отдельный провод, сопряжена с большим объемом и сложностью кабельных жгутов. В связи с ростом числа автотронного оборудования на транспорте и все более усложняющимися системами управления обычная коммуникация перестает удовлетворять требованиям быстродействия, помехозащищенности и надежности.
Задачи физического уменьшения объема проводных каналов в настоящее время очень актуальны на всех видах транспорта. Так, например, обычная коммуникация на автомобиле характеризовалась тем, что к каждому отдельному сигналу управления привязан отдельный провод. Двоичные сигналы передавались только двумя кодами «1» («вкл.») и «0» («выкл.»). Рост обмена данными между электронными компонентами автомобиля в настоящее время невозможно рационально осуществить обычными интерфейсами. Сложность кабельных жгутов уже сейчас сопряжена с большими затратами, а требования обмена данными между системами управления растут. В связи с этим в автомобильном оборудовании широкое применение получили мультиплексные шины, основанные на применении протокола CAN (Controller Area Network).
CAN-протокол получил всемирное признание как универсальная, эффективная, надежная и экономически приемлемая платформа для почти любого типа связи данных в передвижных системах, машинах, техническом оборудовании и индустриальной автоматизации. Основанная на базе протоколов высокого уровня, CAN-технология успешно конкурирует на рынке распределенных систем автоматизации. CAN-интерфейс регламентирован международными стандартами ISO 11898 для высокоскоростных приложений и ISO 11519-1 для низкоскоростных приложений [3].
Ранее такая же проблема многочисленных кабельных линий возникла и для оборудования летательных аппаратов. Решением этого вопроса стало применение мультиплексных каналов в соответствии со стандартизированным интерфейсом, выполненным по ГОСТ В 2439-80 и ГОСТ 26765.52-87 (аналоги стандартов США MIL-1553 B и MIL-STD 1553 соответственно). Главным недостатком этих интерфейсов является узость адресного пространства. Расширение пространства адресов возможно реализовать соответствующим алгоритмом программно, что повлечет применение дорогостоящего процессора. Как следствие, усложняется оборудование, возрастает потребление энергии, требуется больше времени на разработку [3].
Еще одним недостатком является небольшой выбор отечественных устройств сопряжения мультиплексных каналов обмена, выполненных по ГОСТ В 2439-80 и ГОСТ 26765.52-87, в то время как зарубежные аналоги являются довольно дорогостоящими, созданными в большинстве своем для авионики [4,5].
На электроподвижном составе железных дорог очень большой объем занимает проводное оборудование. Это связано с тем, что управление электрическими аппаратами (такими как контакторы, выключатели, переключатели, разъединители) осуществляется дискретными сигналами постоянного тока напряжением 50 В или 110 В, как на электровозе ЭП10. Управление электрооборудованием осуществляется из модуля управления локомотивом. Модуль управления локомотивом задает конфигурации силовой цепи, контролирует состояние и управляет работой электрических аппаратов силовых цепей по заданным алгоритмам, обеспечивающим необходимую взаимную координацию действия оборудования электровоза.
Сигнал на включение аппарата из модуля управления локомотивом передается на модуль ввода-вывода дискретных сигналов (ячейка вывода дискретных сигналов, рис. 1). Модуль вывода дискретных сигналов предназначен для обеспечения передачи сигналов из микропроцессорной системы управления с низким напряжением питания в электрическую схему электровоза с высоким напряжением питания. Для согласования электрических цепей необходимо предусмотреть устройство гальванической развязки, т.е. исключения непосредственного контакта между цепями микроконтроллеров и цепями управления силовых аппаратов. Основными элементами гальванической развязки служат оптоэлектронные пары (оптроны).
Рис. 1. Принципиальная схема управления электрическими аппаратами электровоза ЭП10
Из модуля ввода-вывода дискретных сигналов сигнал управления напряжением 50 В или 110 В подается непосредственно или через промежуточные реле на удерживающие, включающие вентили и соленоиды электрических аппаратов. управление электровоз мультиплексный
Для мониторинга статического состояния релейных аппаратов используют контрольные блокировочные контакты в их приводных механизмах. Эти контакты включены в цепи постоянного тока напряжением 50 или 110 В. Их простые дискретные сигналы выполняют функцию обратных связей (см. рис. 1). По ним в системе управления определяется фактическое состояние аппаратов: «замкнут» или «разомкнут» контактор, или в каком состоянии находится переключатель. Это позволяет непосредственно контролировать исполнение аппаратами управляющих команд, а также время их выполнения. Такой контроль условно называется диагностикой первого уровня.
Таким образом, для включения одного электрического аппарата необходимо одним проводом подать сигнал на его включение или отключение, а вторым проводом получить сигнал обратной связи о состоянии аппарата. Это приводит к тому, что между модулем ввода-вывода дискретных сигналов и шкафом промежуточных реле находятся несколько десятков проводов.
В микропроцессорных системах управления локомотивами уже применяются последовательные коммуникационные линии с использованием протоколов RS-232, RS-485 (Recommended Standard-232 и Recommended Standard-485) и CAN.
CAN протокол применяется в распределенных системах управления, состоящих из нескольких узлов, каждый из которых содержит микроконтроллер и может самостоятельно инициировать передачу данных. Соединяющая эти узлы CAN-шина характеризуется развитой системой обнаружения и сигнализации ошибок, высокой помехоустойчивостью, нелимитированным числом узлов, подключаемых к шине, а так же неспецифицированной средой передачи данных (это может быть витая пара, оптоволоконная линия, коаксиальный провод и т.п.) [3].
Оптимизировать управление электрическими аппаратами на электроподвижном составе железных дорог можно применением мультиплексных каналов с применением интерфейса I2C (Inter-Integrated Circuit). Реализация линий передачи данных и общая идеология обмена данными напоминают интерфейс CAN. Отличия заключаются в более упрощенном кодировании информации, меньшем объеме служебной информации в пакете данных за счет того, что ведущим может быть только один микроконтроллер, и меньшей себестоимости оборудования.
Для реализации мультиплексного канала по протоколу I2C необходимо задействовать микроконтроллер (МК) и программируемый параллельный порт (ППП) (рис. 2). Микроконтроллер устанавливается в модуле ввода-вывода дискретных сигналов. Каждый выход программируемого параллельного порта имеет адрес и подключен к оконечному устройству. Обычно адрес состоит из 7 бит. Восьмым битом передается признак направления пересылки данных. Уровень логического «0» означает передачу данных в оконечное устройство, уровень логической «1» - приём данных из оконечного устройства. После приема каждого байта выбранное периферийное устройство по линии SDA посылает сигнал подтверждения переводом уровня на линии SDA в НИЗКИЙ, чтобы показать, что оно приняло адрес и условие чтения/записи [4,7].
Рис. 2. Схема сопряжения модуля ввода-вывода дискретных сигналов со шкафом-реле силовых аппаратов
Программируемый параллельный порт представляет собой микросхему, имеющую канал последовательной связи I2C с одной стороны, и 8-разрядный параллельный канал ввода-вывода, с другой. В двунаправленном канале I2C используются 2 линии: последовательная линия синхронизации SCL (SCLock) и последовательная линия данных SDA (SDAta).
Сигнал на линии SCL формируется процессором для синхронизации данных периферийного устройства. Оба вывода (SDA и SCL) обычно выполняются с открытым коллектором (ОК) или открытым стоком (ОС), что определяется типом микросхемы: биполярная и КМОП. Они соединены с положительным источником питания VCC через нагрузочный резистор по схеме «Монтажное И» и, таким образом, несколько устройств могут одновременно использовать шины SDA и SCL.
При передаче данных сигнал SDA можно менять, пока на линии SCL установлен НИЗКИЙ уровень. Когда на линии SCL ВЫСОКИЙ уровень, перепады на линии SDA из одного уровня в другой интерпретируются как условия « СТАРТ» и «СТОП» (рис. 3).
Рис. 3. Временная диаграмма обмена данными по интерфейсу I2C
Обмен данными выполняется по запросу прерывания, формируемому микросхемой параллельного программируемого порта при изменении сигналов на входах порта. Для этого выход INT подключен к выходу PD2 микроконтроллера [6].
Таким образом, для управления электрическими аппаратами на электроподвижном составе с релейно-дискретными элементами, сконцентрированными в шкафах, силовых блоках или контейнерах, а так же, когда оборудование рассредоточено по пространству кузовных отсеков целесообразно применение мультиплексных каналов с использованием последовательного протокола I2C.
Протокол I2C характеризуется более простым кодированием информации и меньшим объемом служебной информации в пакете данных. Применение мультиплексной шины уменьшит число линий управления аппаратами и их диагностики первого уровня и повысит надежность управления периферийным оборудованием.
Библиографический список
1. Система управления и диагностики электровоза ЭП 10 / С.В. Волконовский [и др.]; отв. ред. С.В. Покровский. - М.: Интекст, 2009. - 356 с.
2. Микропроцессорные системы автоматического регулирования электропередачи тепловозов: учеб. пособие для студентов вузов железнодорожного транспорта / А.В. Грищенко [и др.]; отв. ред. А.В. Грищенко. - М.: Маршрут, 2004. - 172 с.
3. Ютт В.Е. Электронные системы управления ДВС и методы их диагностирования. - М.: Высш. шк., 2007. - 240 с.
4. Лапин А.А. Интерфейсы. Выбор и реализация. - М.: Техносфера, 2005. - 168 с.
5. Гурьев Д.Е., Демьянов П.Ю. и др. Разработка устройств сопряжения мультиплексного канала обмена (MIL-STD-1553) // Сб. трудов I Международной науч.-практ. конф. «Современные информационные технологии и ИТ-образование». - МГУ, 2006. - С. 47-54.
6. Хартов В.Я Микроконтроллеры AVR. Практикум для начинающих. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007.- 240 с.
7. Болл Стюарт Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров. - М.: ИД «Додэка-XXI», 2007. - 360 с.
Аннотация
УДК 629.423:621.3.025
Оптимизация цепей управления электрическими аппаратами электроподвижного состава применением мультиплексных каналов. Екатерина Владимировна, аспирант кафедры «Электрическая тяга», e-mail: sirayaekaterina@mail.ru, Петербургский государственный университет путей сообщения, 190031, г. Санкт-Петербург, Московский пр., 9.
Проведен обзор использования последовательных протоколов MIL-1553, CAN для организации мультиплексных каналов на автомобильном и воздушном транспорте. Предложен способ оптимизации систем управления электрическими аппаратами на электроподвижном составе железных дорог применением последовательного протокола I2C.
Ил. 3. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: мультиплексный канал; электроподвижной состав; интерфейс; протокол.
Annotation
Control circuit optimization by electric apparatuses of electric stock by means of multiplex channels application. Oparina Ekaterina, a graduate student of Electric Traction Department, e-mail: sirayaekaterina@mail.ru
Petersburg State University of Railways, Moscow Avenue,St. Petersburg, 1900319
The article provides an overview of serial protocol MIL-1553, CAN to organize multiplex channels in road and air transport. We propose a method to optimize control systems by electrical devices on the electric stock of railways using serial protocol I2C.
Illustrations: 3pics. Sources: 7 refs.
Key words: multiplex channel, electric stock, interface, protocol