ELEKTRICKÁ TRAKCE 10

Elektrická trakce 10 – Řízení na vozidle Obsah 4.11.2008 ETRA00.doc

Doc. Ing. Jiří Danzer CSc.

ELEKTRICKÁ TRAKCE 10. ŘÍZENÍ NA VOZIDLE

Obsah 1

2

Úvod ..................................................................................................................................................3 1.1

Vozidla se stupňovým řízením .................................................................................................. 4

1.2

Vozidla s analogovou regulací .................................................................................................. 5

1.3

Vozidla s procesorovým řízením ............................................................................................... 6

Sítě ....................................................................................................................................................9 2.1

2.1.1

Model ISO-OSI................................................................................................................. 10

2.1.2

Přenosové linky................................................................................................................ 11

2.1.3

Modulace a rámec ........................................................................................................... 12

2.1.4

Protokol a přístup na sběrnici .......................................................................................... 13

2.1.5

Rychlost přenosu ............................................................................................................. 14

2.2

3

Provoz v síti ............................................................................................................................. 10

Sběrnice na vozidlech ............................................................................................................. 15

2.2.1

Kabel UIC ......................................................................................................................... 15

2.2.2

RS 232 ............................................................................................................................. 16

2.2.3

RS 485 ............................................................................................................................. 16

2.2.4

CAN ................................................................................................................................. 16

2.2.5

Vlakové sběrnice.............................................................................................................. 18

2.3

Periférie ................................................................................................................................... 23

2.4

Příklady sítí na vozidlech ........................................................................................................ 25

Programové vybavení .................................................................................................................... 28 3.1

Východiska pro návrh řízení ................................................................................................... 28

3.2

Subsytémy .............................................................................................................................. 30

3.3

Koncepce řízení ...................................................................................................................... 31

3.4

Signály..................................................................................................................................... 33

3.5

Algoritmy ................................................................................................................................. 36

3.5.1

Slovní vyjádření ............................................................................................................... 36

3.5.2

Pseudoprogram ............................................................................................................... 37

-1-

Elektrická trakce 10 – Řízení na vozidle Obsah 3.5.3

Vývojový diagram............................................................................................................. 38

3.5.4

Grafcet ............................................................................................................................. 39

3.5.5

Vyšší programovací jazyky .............................................................................................. 41

3.6

Dokumentace SW ................................................................................................................... 42

4

Diagnostika ..................................................................................................................................... 43

5

Bezpečnost ..................................................................................................................................... 46

6

5.1

Ochrana technického zařízení ................................................................................................ 47

5.2

Bezpečnost osob ..................................................................................................................... 47

Literatura ........................................................................................................................................ 48

-2-

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 1. Úvod

1 ÚVOD Tento díl skript se zabývá především otázkami spojenými s procesorovým řízením. Při nesmírně rychlém vývoji v tomto oboru je přirozené, že mnohé údaje budou ještě před vydáním této publikace zastaralé nebo nebudou odpovídat běžné praxi. Také názory a metody řešení stejně jako požadavky provozovatelů se rychle mění. Proto jsou v dalším uváděny spíše obecné zásady, pravidla i konkrétní údaje bez nároku na úplnost a aktuálnost. Pří řízení vozidla podobně jako v jiných obdobných případech se jedná v zásadě o sběr, přenos, zpracování a využití informace. Tyto lze informace rozdělit podle známého schématu (Obr. 1) s poněkud pozměněným označením, které má odrážet i lidskou přítomnost v regulačním procesu podle výkladu v předchozím díle skript.

Obr. 1 Obecné schéma systému (rizeni1.dwg) Povelem (zadáním) se předává systému informace pro požadovanou činnost. Směr přenosu je od člověka do zařízení (ovladače) nebo od nadřazeného systému k podřízenému. Je vyvolán rozhodnutím nebo následkem známých okolností. Předem se očekává určitá odezva zařízení. Události jsou vyvolány účinkem vnějších vlivů, nezávislých na vůli obsluhy. V zásadě lze rozlišovat události provozní (ztráta napětí v troleji, zhoršení adheze apod.) a poruchy. Na poruchy by zpravidla mělo zařízení reagovat automaticky. Zpětná hlášení obsahují informace o skutečném momentálním stavu zařízení a obsluze jsou předávána prostřednictvím sdělovačů. Signálem rozumíme technickou realizaci (vyjádření, realizaci) informace. Signály jsou hlavním předmětem tohoto dílu skript. Tatáž informace může být současně nebo postupně reprezentována různými způsoby, technické podoba informace se může měnit. Při reprezentaci resp. její změně je třeba dbát na zachování informace. Signály mohou být podle přenášené informace a technické realizace různého druhu a mají různé vlastnosti •

logické – dvouhodnotové nebo (quasi) spojité, víceúrovňové,

•

elektrické (napěťové, proudové, kmitočtové atd.), optické (světlovody), mechanické (kontakty, tlak vzduchu v průběžném potrubí samočinné brzdy) aj.,

•

na různě velké energetické úrovni (na ní v zásadě závisí odolnost proti rušení a případně možnost přímo ovládat výstupní zařízení),

•

mohou se šířit různou rychlostí (rychlostí světla, zvuku a ovšem i daleko pomaleji). V dalším se soustředíme na signály elektrické, o ostatních byla stručná zmínka v předchozích

kapitolách.

-3-

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 1. Úvod Na vozidlech jsou pro řízení využívány elektrické signály různého druhu a v průběhu vývoje se podíl jednotlivých druhů měnil v souvislosti s technickým řešením trakčních obvodů tak jak byly rozděleny v dílech 2, 3 a 4 těchto skript. V dalším si budeme všímat zvláště •

vlastností signálů vzhledem ke způsobu kódování (kódováním budeme rozumět způsob vyjádření informace elektrickými parametry signálu),

•

vlastností přenosových vedení a rychlosti přenosu informace,

•

vlastností koncových zařízení,

•

odolnosti proti rušení a spolehlivosti přenosu. Vlastnosti typických signálů z hlediska rušení jsou v řádových hodnotách uvedeny v Tab. 1. Tab. 1 Typické provedení pro základní typy vozidel Vozidla

Typické součásti

Úrovně

Odezva

Stupňové řízení, ss motor

Stykače, EP ventily, relé

50 V, 200 mA, 10 W

10 ms

Plynulá regulace, ss motor

Operační zesilovače,

Asynchronní motor

±

10 V, 5 mA, 100 mW

100 µ

pevná logika

5…15 V, 2-20 mA, 10-100 mW

1 µs

Procesorové řízení

5V, 10µW/hradlo

0,1µs

Jak úrovně tak i rychlost odezvy jsou rozhodující z hlediska. odolnosti proti rušení a je vidět, že s postupujícím vývojem nebezpečí rušení výrazně roste.

1.1

VOZIDLA SE STUPŇOVÝM ŘÍZENÍM Schematické znázornění přenosu informací na vozidle se stupňovitým řízení odpovídající

vozidlům popsaným v 2. díle) je na Obr. 2. Pro řízení se používají prakticky výhradně logické signály na úrovni 24 Vss (původně na vozech), 48 Vss (na lokomotivách s ohledem na délku vedení a větší příkony spínacích přístrojů) nebo 110 Vss (původně především na nezávislých vozidlech, kde baterie sloužila ke startování spalovacího motoru). To odpovídalo také „dvouhodnotovému“ charakteru řízení vozidla ovládáním spínacích přístrojů. S ohledem na délku vedení, požadavky na přenesený výkon a mechanickou odolnost musí mít 2

vedení značný průřez (min. 1,5 mm Cu lanko). Logické vazby se realizují převážně kontaktovou sítí ovladačů a pomocných kontaktů jednotlivých zařízení. Relé byla používána jen výjimečně, protože nebyla považována za dostatečně spolehlivá. Tím ovšem rostla délka vedení a počet kontaktů zapojených v sérii. To vedlo ke komplikaci přístrojů a rostlo nebezpečí chybné funkce při nedokonalých kontaktech (někdy spínající poměrně značné proudy). Zpoždění při přenosu signálu po vedení je zanedbatelné, rozhodující je rychlost reakce koncových zařízení a pohybuje se (s výjimkou rychlovypínačů) v řádu od desítek ms nahoru. Sytém pracuje v zásadě „paralelně“ a vzhledem k napěťovým úrovním, nízkým impedancím a pomalé reakci koncových zařízení je velmi odolný proti rušení, naopak musí být provedena opatření

-4-

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 1. Úvod (např. odrušení induktivních zátěží), aby síť řídicího napětí nebyla zdrojem rušení ostatních zařízení (zvlášť kritické u vozidel popsaných dále).

Obr. 2 Schéma přenosu informací na vozidla se stupňovým řízením (rizeni1.dwg) Analogové signály zprostředkují na těchto vozidlech většinou pouze přenos informace z čidel do měřících přístrojů odděleně od ostatních obvodů.

1.2

VOZIDLA S ANALOGOVOU REGULACÍ Principiální schéma řízení vozidla s analogovou regulací je na Obr. 3. Pro tato vozidla vybavená

již polovodičovými měniči (pulzní měniče, tyristorové řízené usměrňovače) bylo použití elektronického řízení evidentně nezbytné, ale po dosti dlouhou dobu přetrvávala snaha omezit je na co nejmenší míru, také vzhledem k nižší spolehlivost. V odpovídající době se jednalo o analogovou techniku, založenou na operačních zesilovačích a pro nezbytné logické funkce na logických obvodech (s pevnou logikou). Jak je vidět z Obr. 3 elektronicky byla řízena pouze část zařízení, prakticky základní regulační smyčky trakčního a pohonu a případně pomocných pohonů (pokud byly napájeny z měničů). Významný zbytek, především „logické řízení“ (viz dále) byl řízen podobným způsobem jako dříve, i když kontaktních přístrojů významně ubylo. Spolupráce kontaktních přístrojů a regulátorů byla poměrně složitá a v mnoha případech se projevily problémy při „sladění“ požadavků obou systémů. Jedním z důvodů byl již zmíněný řádový rozdíl v jejich reakčních dobách jak vzhledem k „pracovním signálům“ tak i vzhledem k rušení. Problémy se zemněním, stíněním, galvanickým oddělením obvodů, jejich napájení atd. představovaly zcela novou a klíčovou problematiku. Její zvládnutí přestavovalo však dobré východisko pro procesorové řízení.

-5-

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 1. Úvod

Obr. 3 Schéma řízení vozidla s analogovou regulací (rizeni1.dwg) Použitá elektronika pracovala prakticky paralelně, zcela přirozeně „on line“, případně s jasně definovaným dopravním zpožděním nebo časovou konstantou. Jejím vhodným nastavením (RC členy) bylo také možno relativně jednoduše omezit případné rušení krátkými „špičkami“ nejrůznějšího původu.

1.3

VOZIDLA S PROCESOROVÝM ŘÍZENÍM V porovnání s předešlými typy vozidel představuje procesorové řízení zásadní změnu. V základní

struktuře jde o určité zjednodušení a zpřehlednění toků informace i když skutečná složitost systému velmi vzrostla. Pro porovnání s předchozími případy je na Obr. 4 uvedeno blokové schéma řízení. Jednotlivé funkční celky jsou víceméně samostatné a s ostatním zařízeními spojené v přehledné struktuře (hierarchické) komunikační sítě (viz dále). Odtud je zřejmé, že právě komunikace v takovéto síti představují významný nový faktor zvláště se zřetelem ke specifickým podmínkám měničového vozidla. Obecně lze říci, že procesorové řízení řeší jednak obdobné úkoly jako systémy dřívější, ale novými dokonalejšími způsoby, jednak úkoly zásadně nové. Obdobné úkoly se týkají především těchto oblastí •

Realizace logických vazeb mezi signály (dříve realizovaná kontaktními sítěmi, mechanickými vazbami apod.), jednoduše a rychle a ovšem programově. Tyto úkoly jsou pro procesory „nejpřirozenější“.

•

Úkoly regulační, typicky při řízení pohonů i nadřazených regulací, kdy je možno použít složitějších algoritmů s využitím paměti apod. Zde je situace složitější, protože jevy ve výkonových obvodech jsou (mohou být) velmi rychlé a i při sériovém zpracování informace je nutno zajistit práci -6-

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 1. Úvod v reálném čase. Nadto případné selhání může mít velice závažné důsledky, které řidič nebo strojvedoucí nemá možnost odvrátit. Dodejme na tomto místě, že přesnost regulace je zpravidla dána přesností snímače regulované veličiny.

Obr. 4 Schéma procesorového řízení vozidla (rizeni1.dwg) K novým úkolům patří zejména následující funkce. •

Řízení komunikace na všech úrovních v síti.

•

Diagnostika na různých úrovních, například při kontrole vlastního zařízení, kontrola komunikace, kontrola vstupních signálů (nebezpečí rušení, odskoky kontaktů) atd.

•

Ukládání vybraných dat do paměti pro pozdější využití. Týká se to údajů o poruchách, ale také např. sledování provozního zatížení některých uzlů

•

Dosažení pokud možno unifikace systémů řízení u různých typů vozidel (například automatizace jízdy jak byla popisována v 9. díle skript). Jako hlavní rozdíly při aplikaci procesorové techniky na vozidlech oproti jejímu použití u

stacionárních (například průmyslových) zařízení je třeba z hlediska HW uvést zejména •

pracovní podmínky na vozidle s velkým kolísáním teplot, otřesy a vysokou úrovní rušení, kterou nelze podstatně omezit vzdálením počítače od měničů,

•

prostorově rozsáhlá (na vlaku či soupravě), složitá a různorodá síť s velmi různými požadavky na rychlost, spolehlivost u jednotlivých zařízení,

•

z toho plynoucí nároky na různé typy komunikací (různá zařízení mohou mít různé požadavky) a jejich řízení s různou potřebnou rychlostí a prioritou. Další významnou komplikací plynoucí z rychlého vývoje a tedy i inovace výrobků je nutnost

zajišťovat po poměrně dlouhou dobu (např. 10 let) náhradní díly pro vyrobená vozidla. I když novými

-7-

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 1. Úvod součástmi lze prakticky vždy dosáhnout stejných nebo spíše daleko lepších vlastností, pro opravy výměnným systémem (výměna desek) to představuje zřetelné potíže. Programové vybavení (SW) jako nový element přineslo jiné otázky svým specifickým charakterem „čisté“, „nehmotné“ informace, která ale určuje chování celého systému. Jde například o to, že •

umožňuje snadné a jednoznačné uchování programu, ale také jeho snadné změny; to může snadno vést ke ztrátě přehlednosti o provedených změnách ve zdrojových souborech i ve stavu programů u jednotlivých vozidel respektive to vyžaduje velmi přesnou a pečlivou dokumentaci, která je v podmínkách vývoje nebo odstraňování závad v časovém stresu problematická,

•

samotný program může být jako součást zařízení a současně i jeho dokumentace jednoduše předán, ovšem jeho využití je velmi problematické, protože i poměrně dobře komentovaný program je i pro tvůrce po nějaké době v podstatě nečitelný,

•

program je ve smyslu zákona v podstatě na úrovni „literárního díla“, majetkem svého autora i v případě, že ho vytvořil jako zaměstnanec v rámci svých pracovních povinností, což může vést ke složitým situacím,

•

vytvoření zadání pro tvorbu programu je velmi obtížné resp. při opravdu úplném zadání by pro programátora zbyla vlastně pouze mechanická činnost,

•

cena SW může být srovnatelná (v některých případech větší) než cena HW, ale její posouzení (například „spotřebou hodin“) je značně nejisté,

•

normalizace SW a tím spíše její využívání je teprve v začátcích stejně jako podpůrné prostředky pro jeho tvorbu. Jak je zřejmé z Obr. 4 zůstávají i plně procesorovém řízení některé funkce řízeny „po drátě“.

Jedná se jednak o velmi jednoduché ovládání (osvětlení v kabině, houkačky apod.), jednak o záložní ovládání zvlášť významných funkcí z hlediska bezpečnosti. Jde například o ovládání brzd, hlavního vypínače, kontroly zavření dveří apod. a dále zařízení, u kterých to předpisy nebo požadavky provozovatele přímo vyžadují (zabezpečovací zařízení). Obecně lze říci, že v ostatních případech je vhodné zprostředkovat počítačem ovládání těch zařízení, jejichž ovládání vyžaduje nějaké logické vazby nebo je potřeba jeho stav diagnostikovat.

-8-

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 2. Sítě

2 SÍTĚ Základní topologické struktury sítí jsou uvedeny na Obr. 5 s přihlédnutím ke způsobům řízení. Topologie vyjadřuje způsob propojení jednotlivých účastníků(uzlů), které propojuje. můžeme rozlišit následující případy.

Obr. 5 Topologie sítí (site1.dwg) Případy Obr. 5, a), b), c) jsou zřejmě nejběžnější případy (lineární) sběrnice. V závislosti na vlastnostech a řízení lze rozlišit •

Obr. 5a).Síť „Master/slave“, kde řízené uzly (s) jsou řízeny masterem (M). Komunikace probíhá v zásadě tak, že master postupně „vyzývá“ (pooling) jednotlivé podřízené uzly, aby vyslaly informaci do masteru. Ten ji pak může předávat postupně do ostatních podřízených uzlů. Přímé předání informace mezi podřízenými uzly není možné. Změna počtu podřízených uzlů sítě je jednoduchá, porucha podřízeného uzlu neovlivní přednos signálů. Porucha masteru vyřadí síť z provozu. Tato síť je přirozeným východiskem při tvorbě hierarchických systémů. Síť může případně mít i více masterů, v činnosti je však vždy pouze jediný (zálohování masterů).

•

Obr. 5b). Hierarchická síť, ve které některé podřízené uzly řídí jako podřízený master síť podle Obr. 5a). To umožňuje ve složitějších a různorodých sítích lépe přizpůsobit topologii charakteru uzlů. Na vozidlech je běžná, její vlastnosti odpovídají předchozímu případu.

•

V zapojení podle Obr. 5c) se jedná o tzv. „Mulitimaster“, síť, ve které může každý uzel hrát úlohu mastera. Uzly jsou v podstatě rovnocenné, v řízení se střídají. V tomto případě lze přenášet informaci z (momentálně aktivního) mastera do všech ostatních uzlů. Změna počtu uzlů je v tomto případě ještě jednodušší než v předešlých případech, vyžaduje však jiný protokol (viz dále). Výpadek některého z uzlů vyřadí pouze příslušný uzel.

•

Další typ topologie Obr. 5d) se označuje jako “hvězda“. Vyžaduje vždy centrální procesor (Master), ale s výjimkou snazšího využití optických kabelů pro propojení sítě nepředstavuje žádnou zvláštní výhodu proti sběrnici (při řízení Master-Slave) a vyžaduje více spojovacího vedení. Porucha masteru vyřadí celou síť z provozu.

•

Poslední případ Obr. 5e) se označuje jako „kruh“. Jde opět o strukturu „multimaster“, uzly jsou rovnocenné. Informace se předává od vysílajícího uzlu přes všechny uzly, které tvoří kruh. Po -9-

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 2. Sítě dokončení může vysílající uzel kontrolovat, zda během přenosu nedošlo ke zkreslení. Porucha uzlu (na rozdíl od případu Obr. 5c) vyřadí celou síť z provozu resp. vyřazený uzel je nutno přemostit. Oba poslední typy se na vozidlech prakticky nepoužívají a nebudeme se jimi zabývat. Volba topologie sítě se řídí požadavky řízeného systému •

požadavek maximální nezávislosti uzlu a jím řízeného zařízení na ostatních zařízeních (možnost kontroly a ladění, odpojení při poruše apod.),

•

požadavek účelného využití výkonnosti příslušného uzlu,

•

rozmístění ovládaných zařízení v prostoru vozidla pro minimalizaci kabeláže (rozmístění vstupních a výstupních míst pro sběr a výstup signálů). Vzhledem k různorodosti požadavků, počtu řešených úkolů a požadavku na práci v reálném čase

se na vozidlech prakticky vždy jedná o víceprocesorový systém, tvořící hierarchickou počítačovou síť. Uzly mohou například tvořit •

jednotlivé pohony, řízení měničů pro trakci, pomocné pohony apod.,

•

řízení mechanické brzdy,

•

nadřazené řízení jízdy a komunikace s ostatními vozidly,

•

řízení spínacích přístrojů vn a nn,

•

podřízená síť pro sběr a výstup logických signálů (na stanovišti, ve strojovně),

•

sdělovače na stanovišti,

•

podřízená síť pro řízení informačního systémů a služeb pro cestující. Pro zvýšení spolehlivosti bývají některé uzly (např. mastery) nebo spojovací cesty zdvojeny.

2.1

PROVOZ V SÍTI

2.1.1

MODEL ISO-OSI

Struktura

komunikace

v místních

sítích

se

popisuje

modelem

označovaným

ISO-OSI

(International Standartisation Organisation – Open Systém Interconnection), který se skládá obecně ze 7 vrstev (Layer). Každá vrstva vykonává předem určené činnosti a komunikuje s vyšší a nižší vrstvou přes definovaný interface. Úplné schéma je na Obr. 6a).

Obr. 6 Schéma ISO-OSI (iso.dwg)

- 10 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 2. Sítě Při přenosu postupuje informace na vstupní straně z nejvyšší 7. vrstvy postupně přes nižší, které k vlastní informaci doplňují další informace, které zajišťují přenos v síti až na úroveň vrstvy první, fyzikální. Fyzikální vrstva zajistí vlastní přenos ve formě řetězce bitů vyjádřených elektrickým nebo optickým signálem. Na příjmající straně postupuje přenesený řetězec bitů opačným směrem a v každé vrstvě se postupně „oddělují“ části, zajišťující provedení přenosu až po nejvyšší 7. vrstvu, která poskytuje uživateli na příjmu vyslanou informaci „v čisté formě“. Na vozidlech se setkáváme s redukovaným schématem podle Obr. 6b), který popíšeme podrobněji. 1. Fyzikální vrstva (Physical Layer) definuje elektrické a mechanické parametry vedení, způsob převedení informačních bitů do technické realizace (průběh napětí pro „I“ a „O“). 2. Linková, spojová vrstva (Link Layer) definuje řízení přenosu, rozpoznání a odstranění chyb. Může se dále dělit do dvou podvrstev: •

(2a) zpráva se rozdělí do bloků, rámců (Frame), doplní se např. o kontrolní součet, může zajistit například opakování pro opravu zprávy při zjištěné chybě apod.

•

(2b) řídí přístup ke sběrnici, označuje se jako vrstva přenosu bloků. 7. Aplikační vrstva (Applikation Layer), uživatelská vrstva dává jednotlivým bitům (skupinám

bitů) zprávy technický význam (velikost napětí, typ poruchy, stav spínače atd.). 2.1.2

PŘENOSOVÉ LINKY

Nejprve se zmíníme o technickém provedení přenosových médií a jejich hlavních vlastnostech. Tři nejčastější jsou porovnány v Tab. 2. Uvedené hodnoty procházejí vývojem a slouží pouze pro řádové porovnání. Tab. 2 Porovnání vlastností přenosových linek Kroucená linka

Koaxiální kabel

Optokabel

Rozměr

2

100

400

MHz

Útlum

vyšší

nízký

nízký

Odolnost proti rušení

nízká

dobrá

výborná

Cena

nízká

vyšší

nejvyšší

velmi snadné

snadné

nesnadné nebo

Maximální nosný kmitočet

Připojení, kontrola

náročnější na další zařízení

V dále uvedených aplikacích je nejběžnější kroucená dvojlinka (Twist) a v některých případech i světlovody. Poslední se mimo komunikaci ve smyslu tohoto odstavce využívají velmi často pro přenos řídicích impulzů mezi koncovými zesilovači (Drivery) a řízenými polovodičovými součástmi (IGBT, GTO), protože nejlépe zajišťují časově přesný přenos a bezpečné galvanické oddělení obvodů vysokého napětí a řídicích obvodů. Také odolnost proti rušení vlastního přenosu je dokonalá, problémy ovšem mohou nastat v zesilovačích výstupního optického signálu s velmi nízkou energetickou úrovní. - 11 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 2. Sítě 2.1.3

MODULACE A RÁMEC

Pro vyjádření bitů dvouúrovňovým signálem lze použít řadu způsobů (modulací). Z nich uvedeme pouze dva, které se využívají u sběrnic, které uvedeme dále. Jedná se o typy označované jako NRZ (Non Retur to Zero) a Manchester. Jejich princip je zřejmý z Obr. 7. První z nich se používá u CAN, druhý u TCN (viz dále).

Obr. 7 Kódování NRZ a Manchester (osi.dwg) U kódování NRZ podle Obr. 7 je hodnota bitu vyjádřena úrovní signálu, která je po dobu, určenou pro přenos bitu (BT – Bit Time) konstantní. Minimální perioda změn je tedy rovna BT. Při vyslání delší sekvence „O“ nebo „I“ (například více než 5) by ale mohly vznikat potíže při přenosu signálu přes oddělovací transformátory nebo při synchronizaci a proto se po takové sekvenci „uměle“ vkládá jeden bit „opačný“. Ten se na příjmací straně opět „zanedbá“. Tento postup se označuje jako „Bit stuffing“. U kódování Manchester podle Obr. 7 je hodnota bitu vyjádřena změnou (nárůstem nebo poklesem) signálu. V tomto případě se výše naznačené potíže při přenosu nebo synchronizaci nenastanou, ovšem minimální doba mezi změnami signálu je zřejmě jen 0,5 BT, takže sběrnice musí být schopna přenést dvojnásobný kmitočet než v předešlém případě (nebo musí být BT dvojnásobné, tedy i přenosová rychlost). Jako příklad vytváření rámců (Frame) pro přenos „užitečné“ informace uvedeme uspořádání rámce HDLC (ISO 3309) na Obr. 8, se kterým se ještě setkáme.

Obr. 8 Rámec HDLC (can.dwg) Vlastní přenášenou informaci tvoří Data v naznačeném rozsahu 0…1024 bit. Kromě nich je třeba při protokolu orientovaného na adresáta doplnit adresu, pro kontrolu správností CRC (Cyclic Redundant Code) – bitovou sekvenci, která umožňuje do určité míry zjistit a případně opravit chyby vzniklé přenosem. Bloky Flag ohraničují vlastní zprávu a Preambule zajišťuje synchronizaci před příjmem vlastní zprávy. V naznačeném případě při přenosu 1024 „užitečné“ informace je přenášeno 1106 bitů, tedy o 8% více. Ve většině případů a u jiných rámců bývá nárůst zřetelně vyšší a bývá velmi zhruba okolo 50%.

- 12 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 2. Sítě 2.1.4

PROTOKOL A PŘÍSTUP NA SBĚRNICI

Provoz v síti při přenosu zpráv je určen protokolem. Protokol je souhrn pravidel pro výměnu informací mezi uzly. Protokoly lze dělit podle různých hledisek [1], například na protokol orientovaný buď na účastníky nebo na zprávu a protokol orientovaný buď znakově nebo bitově. •

Protokol orientovaný na účastníky vyžaduje, aby zpráva byla opatřena adresou odesilatele a příjemce, tj. uzlů, mezi nimiž se předává. Je typická pro sítě „master-slave“ a užívá se u většiny standardních sběrnic.

•

Protokol orientovaný na zprávu vyžaduje, aby zpráva byla opatřena označením jejího obsahu. Je typická pro sítě „multimaster“. Aktivní master vysílá zprávu všem účastníkům (uzlům) a ty podle jejího obsahu ji buď přijmou nebo ne (broadcasting). Informace se tedy dostává současně ke všem uzlům, které s ní mají pracovat. Užívá se u některých novějších sběrnic (CAN, IEC – Feldbus).

•

U protokolu orientovaném znakově se vysílají ASCII znaky (skupiny 8 bitů, 7+parita), je možné vysílat i řídicí znaky pro dálkové řízení zařízení u adresáta (dálnopis).

•

U protokolu orientovaném bitově se vysílají různě dlouhé sekvence bitů, jejichž význam je určen pouze dohodou uživatelů. To umožňuje zřejmě optimální využití v různých konkrétních případech a v námi sledovaných případech je používán téměř výhradně. Výkonnost sítě (doba pro přenos zprávy mezi účastníky) je určena především přístupem na

sběrnici. Ten závisí na topologii sítě. Přístup může být deterministický nebo náhodný. •

Při deterministickém přístupu řídí přístup na sběrnici master cyklickou volbou, jen zvolený účastník má právo vysílat a to pro mastera. Organizace provozu je jednoduchá, může zajistit krajní dobu odezvy resp. interval přístupu k síti („na všechny se dostane“), síť se nemůže zahltit. Tyto poměry odpovídají topologiím podle Obr. 5a, b), master – slave. S počtem uzlů ovšem interval přístupu poroste a také proto je při větším počtu uzlů výhodná hierarchická struktura podle Obr. 5b). Protokol je orientován na účastníka (adresy).

•

Na sběrnici podle Obr. 5a), b) lze deterministicky řídit provoz také tak, že master, v tomto případě označovaný jako Bus Arbiter uděluje jednotlivým uzlům postupně vysílací právo (Delegated Token). Uzel s vysílacím právem vysílá po sběrnici zprávu (s označením obsahu), kterou přijímají ty uzly, kterých se týká. Po skončení přenosu vrací podřízený uzel vysílací právo Bus Arbiterovi. Jde tedy z hlediska Bus Arbiteru o řízení master-slave, které se ale týká v zásadě pouze vysílacího práva. Z hlediska podřízených uzlů jde o broadcasting. Výkonnost sběrnice oproti předchozímu případu je zřejmě vyšší, jinak se vlastnosti od předešlého případu příliš neliší.

•

K protokolům s deterministickým přístupem patří také řízení sběrnice „kruh“ (Obr. 5e)). Při něm se vysílací právo předává postupně po kruhu , ke kolizi nedochází, ovšem musí být ošetřeny případy „ztráty“ nebo „duplicity“ vysílacího práva (Token Passing, Token Ring). Při vysílání se uplatňuje protokol orientovaný na zprávu (broadcasting). Schematické znázornění uvedených způsobů je na Obr. 9.

•

Náhodný přístup na sběrnici je typický pro uspořádání „multimaster“, např. Obr. 5c). Všechny uzly sledují provoz na sběrnici a pokud žádný uzel nevysílá může na ni kdokoliv vyslat svou zprávu (označení CSMA – Carrier Sense Multiple Accsses). V tomto případě je sice rychlost

- 13 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 2. Sítě přenosu vyšší a sběrnice je lépe využita (odpadají prakticky řídicí zprávy), ovšem na sběrnici může dojít ke kolizi, když chce více uzlů vysílat současně (CSMA/CD - Collision Detection).

Obr. 9 Deterministické řízení přístupu (site1.dwg) Řešení takových situací je možné například přidělením priority jednotlivým účastníkům nebo zprávám, statisticky určeným různým zpožděním účastníků nebo zpráv. U protokolů orientovaných na zprávy lze do označení zprávy zakódovat i její prioritu, takže arbitráž lze provést v průběhu vysílání této části zprávy. Při vysílání každý uzel zároveň kontroluje stav na sběrnici. Když uzel zjistí, že priorita jeho zprávy je nižší než zprávy vysílané současně přestane vysílat a na sběrnici se tedy uplatní zpráva s nejvyšší prioritou (označení CSMA/CA - Collision Avoidance). Tak se zajistí, že se po sběrnici přednostně vysílají zprávy s vysokou prioritou a zároveň, že alespoň jedna zpráva je vždy skutečně vyslána (v jiných případech bývá nutno při kolizi zprávu vysílat znovu). Na druhé straně ovšem nelze obecně zaručit, že při silně zatížené sběrnici budou opravdu všechny zprávy (zvláště ty s nízkou prioritou) opravdu vyslány. 2.1.5

RYCHLOST PŘENOSU

Z uvedeného je zřejmé, že doba přenosu mezi vysílajícím a příjmajícím uzlem záleží na řadě okolností •

doba zpracování původní informace (například analogové při převodu případně s multiplexem) nebo dvouhodnotové (kontakty ovladačů nebo pomocných kontaktů přístrojů při kontrole správnosti, ošetření případných odskoků, vložení zpoždění s ohledem na vlastnosti zdroje signálu apod.),

•

procedury v linkové vrstvě 2b, vytvoření rámce přidáním dalších potřebných informací,

•

procedury v linkové vrstvě 2a, zajišťující přístup ke sběrnici,

•

způsob kódování při dané přenosové rychlosti sběrnice,

•

„teoretická“ přenosová rychlost sběrnice (odpovídá maximálnímu počtu bit/s při plynulém bitovém toku), ta je v konkrétních případech nepřímo úměrná na délce linky,

•

procedury v linkových vrstvách při „rekonstrukci“ původní informace. Ukazuje se, že zvláště v případech, kdy je třeba informaci přenášet na větší vzdálenost, přes více

sběrnic a uzlů (hierarchické sítě) a při silně zatížených sítích se může celková doba odezvy

- 14 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 2. Sítě pohybovat v desítkách milisekund, což je výrazně více než v případech popsaných v kapitole 1.1 a 1.2.

2.2

SBĚRNICE NA VOZIDLECH Z velkého množství různých sběrnic pro nejrůznější účely se budeme pouze informativně zabývat

pouze 5 typy, které mají přímou vazbu na trakční aplikace. 2.2.1

KABEL UIC

Jako první případ uvedeme „Kabel UIC 568“. Jde o průběžné vedení s konstrukcí podle Obr. 10.

Obr. 10 Kabel UIC 568 (uic1.bmp, uic2.bmp) Tento kabel je určen výhradně pro (vybrané) osobní vozy a s nimi využívaná trakční vozidla u evropských drah. Vedení prochází všemi vozy a původně byl určen pro “klasické“ řízení, jak plyne z přiřazení funkcí jednotlivým žilám (Obr. 10a), 12+1 vodič). 2x fonická komunikace, hlášení loko – vlak (jednosměrná, 2x obousměrná služební telefonní linka s možností přechodu na dispečerské spojení, 4x řídicí signály přenosu výše uvedených linek, 1x dálkové řízení zavírání dveří, 1x zapínání vlakového osvětlení, 1x vypínání vlakového osvětlení 1x zpětný vodič. Logické signály jsou impulsní, 24 V, 400 mA, 100 ms. Pro účely přenosu informací pro řízení vlaku jsou málo vhodné, využívalo se signálů namodulovaných s nosným kmitočtem na linky pro logické signály. Doporučuje se použití žil 5-6 a přenosová rychlost 19,2 kb/s, BT=52us. Pro zajištění lepších přenosových vlastností bylo původní provedení doplněno o další dva kroucené a samostatně izolované vodiče podle Obr. 10b). Ty jsou určeny výhradně pro sériovou komunikaci jako varianta pro WTB. Tato verze kabelu by měla umožnit přenosovou rychlost 1 Mb/s, která tomuto použití již plně vyhovuje. Další typy sběrnic jsou určeny pro přenos dat za různých okolností.

- 15 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 2. Sítě 2.2.2

RS 232

Sběrnice RS 232 (také V24, RS 232C, EIA 232D aj.) představuje fyzikální vrstvu a je určena typicky pro spojení dvou účastníků na krátké vzdálenost, typicky do 15 m s rychlostí 20 kb/s, úrovně +3V/-3V (původně počítač – modem, počítač – tiskárna apod.). Existuje řada rozličných variant používajících 25 nebo 10 (9) vodičů, asynchronní nebo synchronní přenos. Kompatibilita není obecně zaručena. Na vozidlech se používá pro spojení s některými sdělovači a pro spojení počítačů jednotlivých uzlů s diagnostickým Laptopem při kontrole funkce, vkládání programu nebo nastavování parametrů. 2.2.3

RS 485

Velmi rozšířenou sběrnicí je RS 485 (také EIA 485), která rovněž představuje fyzikální vrstvu. Je 2

tvořena dvoudrátovým krouceným a stíněným vedením s parametry: min. průřez 0,22 mm ,60 pF/m, vlnový odpor (zakončovací odpor) 120 Ohm. Přenosová rychlost závisí na délce sběrnice a je pro 1200 m 90 kb/s, pro 600 m 187,5 kb/s, pro 200 m 500 kb/s a pro 100 m 1000 kb/s. Počet účastníků ((odpovídá výkonu budičů – vysílačů) je 32. Schéma uspořádání a definice logických signálů napětími na vodičích je patrné z Obr. 11, používají se diferenciální vstupy/výstupy. Označení definuje pouze typ vedení a vlastnosti vysílačů a příjmačů.

Obr. 11 Sběrnice RS 485 (rs488.dwg)

2.2.4

CAN

Poměrně nová je sběrnice CAN (Controller-Area-Network). Byla vyvinuta firmou Bosch a Philips pro řízení elektrických zařízení moderních automobilů. Uspořádání sběrnicové, multimaster, s protokolem orientovaným na zprávu, s náhodným přístupem s prioritou, která je určena typem zprávy. Na rozdíl od předchozích případů CAN obecně nedefinuje fyzikální vrstvu, nýbrž linkovou vrstvu, tedy kódování, zabezpečení, vytvoření rámce a přístup ke sběrnici, a to hardwarově, pomocí řady speciálních integrovaných obvodů. To je umožněno velkou sériovostí těchto součástí, která je právě vlastní automobilovému průmyslu, který zároveň vyžaduje vysokou spolehlivost a odolnost proti rušení. Pro vlastní přenos lze použít například sběrnici RS 485, případně s galvanickým oddělením. Počet účastníků je omezen použitým protokolem, rychlost je specifikována pro jednotlivé varianty. Přenos je synchronní, modulace Manchester. Příklad rámce je na Obr. 12.

- 16 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 2. Sítě

Obr. 12 Rámec pro CAN (can.dwg) V Obr. 12 znamená SOF=Start Of Frame, AF=Arbiter Fail, označuje typ zprávy a zároveň její prioritu, RTR= Remout Transition Request, CF=Control File, určuje počet bitů v datové části. Následují data, CRC=Cyclic Redundancy Check, zabezpečení s Hamingovým odstupem 6+1 bit jako omezovač, ACK=potvrzení příjmu+1 bit omezovač, EOF=End Of Frame, označuje konec rámce, R=oddělovač telegramů. Poměrně malý rozsah přenášených dat (do 64 bit=8 byte) a tedy i délka přenášené zprávy zajišťuje rychlou odezvu (130 us při 1 Mb/s) a při očekávaném vysokém rušení, kdy je nutno zprávu opakovat i rychlejší doručení opakované zprávy (pravděpodobnost zkreslení zprávy je úměrná její délce). Na druhé straně představuje při přenosu 64 bitů délka rámce 111 bitů nárůst celkové délky (a tedy snížení rychlosti) o 58%. Protokol

zajišťuje

mnohonásobnou

-13

neodhalených chyb 10

-17

až 10

kontrolu

přenosu

(udává

se

zbytková

četnost

), důkladně jsou ošetřeny případy krátkodobého i dlouhodobého

výpadku uzlu. Jeho oblibu lze odvodit právě z těchto vlastností a toho, že jsou „dodávány“ ve formě HW (integrovaných obvodů). CAN byl posléze normalizován ve dvou variantách, které se liší především rychlostí. Technické charakteristiky obou jsou shrnuty v Tab. 3. Tab. 3 Varianty CAN Typ

High Speed

Low Speed

Norma ISO - DiS

11898

11519-1

Rychlost přenosu

125…1000

do 125

Maximální délka

40 m/1000 kb/s

Počet uzlů Linka

Proud budiče

Rozměr

kb/s

2…30

do 20

stíněná, kroucená,

2 vodiče+zem

stíněná

(nouzově 1+zem)

min. 25

min. 1

mA

120

-

Ohm

5

5

V

Vlnová impedance linky Napájení

Zapojení a úrovně signálů jsou pro obě varianty na Obr. 13. Označení R a D odpovídá recesivní a dominantní úrovni (u TTL tedy H a L).

- 17 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 2. Sítě

Obr. 13 Základní zapojení a úrovně u CAN High Speed a Low Speed (can.dwg) U varianty High Seed omezují rychlost přenosu odrazy (vlnové procesy), vedení nesmí mít odbočky delší než 30 cm a musí být zakončeno vlnovým odporem. Proto musí být budiče dostatečný výkon. Rychlost šíření je 0,2 m/ns a zpoždění signálů 5 ns/m. To se uplatní například při arbitráži (snaha o současné vysílání více vzdálených uzlů. Chyba kmitočtu pod 0,5% vyžaduje krystalem řízené oscilátory. U varianty Low Speed omezuje rychlost časová konstanta vedení, především kapacita. Povolená chyba kmitočtu je do 1,5 %, takže lze využít levnější keramické oscilátory. Uvedené údaje jsou uvedeny jako příklad a mohou se časem a u jiných variant lišit. Podobná omezení však mají všechny linky v závislosti na rychlosti přenosu a její délce. Větší pozornost byla věnována CANu proto, že se její používání rozšiřuje, má řadu zajímavých vlastností a je používána i na kolejových vozidlech místo sběrnice MVB (viz dále) pro její jednoduchost a nižší cenu. 2.2.5

VLAKOVÉ SBĚRNICE

Vlakové sběrnice jsou součástí projektu TCN (Train Communication Network), který byl pro železniční vozidla vypracován pracovní skupinou IEC TC9 a normalizován. Rozeznávají se dvě základní úrovně a jim odpovídající sběrnice •

vozová sběrnice (MVB (Multifunction Vehicle Bus) pro propojení zařízení v jednotlivém vozidle (trvale spojených vozidlech) a

•

vlaková sběrnice (WTB Wire Train Bus) pro propojení vozidel ve vlaku (soupravě). Po obou typech sběrnic se přenáší v zásadě tři druhy zpráv podle Obr. 14

•

provozní data (Process Data přenášená periodicky a

•

zprávy (Messages), přenášené podle potřeby a mohou být rozděleny do více period podle délky,

•

řídicí signály. Sběrnice tvoří hierarchickou síť, která je řízena systémem Master/slave, kódování Manchester,

rámec HDLC (viz Obr. 8). Sběrnice WTB bývá pravidelně zdvojená vzhledem k většímu riziku poškození na spojeních mezi vozy.

- 18 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 2. Sítě

Obr. 14 Uspořádání zpráv u TCN (can.dwg) Základní technické parametry obou sběrnic jsou uvedeny v Tab. 4. Tab. 4 Vlastnosti WTB a MVB Sběrnice

WTB

MVB

max. 850 m

max 30 m

Propojení

proměnné

pevné

Orientace

rozeznává strany P/L vzhledem

není

Délka

k řídicímu stanovišti Adresování

Konfigurace Standardní rychlost Linka

relativní

absolutní

(adresa činnosti, funkce)

(adresa zařízení)

při sestavení vlaku

při výrobě vozidla

1 Mb/s

1,5 Mb/s

Kroucený pár,

RS 485

galvanické oddělení Počet účastníků

30

4095

Doba odezvy

64…300 us

4…43 us

Kódování

Manchester

Manchester

HDLC

TC 57

4

8

redundantní master,

Master/slave,

periodická volba,

periodická volba,

volba na požádání

náhodný přístup s arbitráží

Rámec Hamingův odstup Řízení přístupu ke sběrnici

Zatímco se MVB liší od jiných podobných systémů hlavně nezbytnou podrobnou normalizací adres=funkcí, WTB je sběrnice jednoznačně specializovaná pro použití na vlaku. Proto se jí budeme věnovat podrobněji. Musí zajišťovat i funkce, které se běžně nevyskytují, například •

má provozně proměnnou strukturu, mění se při připojení nebo odpojení vozů, změně řídicího stanoviště (změna mastera) a musí řešit různé z toho plynoucí problémy (konflikt dvou masterů při spojení dvou dílů s vlastními mastery, chování odpojené části bez mastera a řadu dalších),

•

změnu struktury musí rozeznat a následně provést inauguraci celé pozměněné sítě,

- 19 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 2. Sítě •

musí rozlišit ve kterém směru se nachází master a tedy která zařízení např. dveře se nacházejí na pravé či levé straně ve směru jízdy, Topologie WTB je naznačena na Obr. 15. Předpokládá se, že každý vůz představuje uzel,

lokomotiva se dvěma stanovišti případně i dva. Každý uzel má dva vstupy/výstupy připojené k vedení „vřed“ a „vzad“ (skutečnost se určí teprve při inauguraci), spínač sběrnice a zakončovací odpory. Na sběrnici tedy nejsou odbočky, sběrnice prochází „uvnitř“ každého uzlu.

Obr. 15 Topologie WTB (WTBtopologie.bmp) Postup při inauguraci sběrnice vyložíme za předpokladu, že na počátku je sběrnice bez (zapojeného) Mastera podle Obr. 16.

Obr. 16 Počáteční stav sběrnice (WTBin0.bmp)

- 20 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 2. Sítě Během inaugurace získávají všechny uzly svoji adresu, která určuje jeho umístění ve vlaku. Uzlu se zároveň určuje orientace vozidla ve vlaku aby bylo možno rozlišit levou stranu od pravé např. pro řízení dveří. Na konci inaugurace je uzlům oznámena nová topografie a sběrnice zahajuje normální činnost. V průběhu inaugurace uzly elektricky propojují kabelové segmenty do jediné sběrnice se zakončovacími členy na obou koncích. Na počátku, pokud není uzel pojmenován, jednotka přístupu ke sběrnici přeruší sběrnici sběrnicovým vypínačem a na konec obou segmentů zapojí zakončovací členy. Oba kanály jsou na příjmu na sběrnici, každý ve svém směru. Nepojmenovaný podřízený uzel nemůže sám o sobě na sběrnici vysílat. Výběr mastera na vlakové sběrnici závisí na aplikaci. Zpravidla volí strojvedoucí jako mastera uzel na svém stanovišti nějakou manipulací jako například sepnutím spínače řízení. Tento uzel dostává číslo 01 a může řídit sběrnici. Master zahajuje inauguraci tím, vyšle pomocným (aux) kanálem dotaz „je tam někdo?“. Tento dotaz je přijat sousedním podřízeným uzlem, který odpoví, že je nepojmenovaný uzel. (Obr. 17).

Obr. 17 Inaugurace 1. krok (WTBin1.bmp) Jestliže master dostane odpověď od nepojmenovaného uzlu, připne k tomuto konci svůj hlavní kanál (main) a vyšle zprávu „jste uzel 02“, která změní stav „nepojmenovaný“ na „pojmenovaný číslo 02“. Uzel, který přijme tuto zprávu potvrdí masterovi, že přijal adresu „OK, jsem uzel 02“, přijme označení 02 a připojí svůj hlavní kanál ve směru k masterovi (Obr. 18).

Obr. 18 Inaugurace 2. krok (WTBin2.bmp) Master nemůže přímo dotazovat třetí uzel dokud uzel 02 nepropojí sběrnici a neodpojí zakončovací člen - sběrnice nepokračuje, pokud dál není žádný uzel.

- 21 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 2. Sítě Proto master vyšle dotaz do uzlu 02 dotaz „je někdo další?“ a druhý uzel přes svůj pomocný kanál postoupí dotaz dál na sousední uzel „je tam někdo?“. Třetí uzel (pokud existuje) vyšle odpověď zpět uzlu 02 „jsem nepojmenovaný uzel“. Uzel 02 pak zprávu o nepojmenovaném uzlu předá masterovi („uzel bez jména“). Tak se master snaží zjistit poslední uzel (Obr. 19).

Obr. 19 Inaugurace 3. krok (WTBin3.bmp) Když uzel 02 předá tuto zprávu, přepne master uzel 02 jako mezilehlý, a ten sepne spínač sběrnice, odpojí zakončovací odpor a odpojí pomocný kanál uzlu 02. Nyní může master přímo komunikovat s uzlem 03 (Obr. 20).

Obr. 20 Inaugurace 4. krok (WTBin4.bmp) Tento postup se opakuje tak dlouho, až jsou všechny uzly v jednom směru pojmenovány. Jestliže řídícím vozidlem není první vozidlo soupravy, je na přípřeži nebo na postrku, pokračuje inaugurace s čísly 63, 62,...pro vozidla, která jsou eventuálně před kabinou strojvedoucího. Master identifikuje konec vlaku (sběrnice), jestliže se za posledním uzlem do určité doby nenajde další uzel. Skutečnost, že se za posledním uzlem nehlásí žádný další uzel není bezpečným znamením, že jde o konec vlaku. Může následovat další vozidlo bez WTB nebo s vypnutým WTB. Proto musí strojvedoucí zkontrolovat kompletnost soupravy jinak. Jestliže jsou uzly v obou směrech pojmenovány, rozešle master všem uzlům uspořádání sítě, které obsahuje popis všech uzlů. Uzel se nemůže účastnit na normální činnosti sběrnice dokud neobdrží toto uspořádání (topografii). I při další činnosti kontroluje koncový uzel, zda nedošlo k připojení dalšího uzlu periodickými dotazy „je tam někdo?“ směrem za konec sběrnice. Jestliže se zjistí změna v uspořádání, musí master

- 22 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 2. Sítě provést novou inauguraci, pokud jsou splněny předepsané podmínky (např. když rychlost je menší než 5 km/h).

2.3

PERIFÉRIE Informace jsou přenášeny do procesorového systému a z něj prostřednictvím periférií. Vstupní

signály jsou jednak překódovány, například v A/D převodníku, jednak odděleny od prostředí vozidla (například galvanicky). Výstupní signály jsou rovněž překódovány (například pro zobrazení na displeji), odděleny od prostředí vozidla a často také zesíleny. Nevětší počet signálů jsou vstupní logické signály. Jejich počet se u běžného trakčního vozidla počítá na stovky. Jejich zdrojem jsou většinou kontakty na ovladačích, řízených přístrojích, tlakových spínačích, termostatech, indikačních zařízení (průtok vzduchu, oleje) a řada dalších. Tyto zdroje jsou rozloženy v prostoru celého vozidla, hlavní část bývá soustředěna na stanovištích. Přivádění všech těchto signálů přímo do vstupních obvodů procesoru není vhodné z řady důvodů (objem kabeláže, nutnost mezisvorkovnic, nepřehlednost). Proto se pro sběr logických signálů používá často samostatná sběrnice, která je řízena určeným uzlem na sběrnici vyššího řádu. Na této sběrnici jsou zapojeny uzly, rozmístěné podle potřeby na stanovištích, v prostoru strojovny i v prostorách pro cestující. Tyto uzly se nazývají různě (sběrné moduly, Sibas klipy – Siemens apod.) a umožňují připojení nejčastěji 8, 16 nebo 32 logických vstupů vyjádřených napětím vozidlové baterie (24, 48 V). Umožňují zejména •

mechanické připojení jednotlivých vodičů (často větších průřezů),

•

galvanické oddělení, často s poměrně vysokou izolační pevností,

•

ochranu před přepólováním, přivedením vyššího nebo jiného cizího napětí (např. 220 Vst), napěťovými špičkami a jinými typy rušení, které se na vozidle mohou vyskytovat,

•

signalizovat stav všech vstupujících signálů. Tyto uzly jsou nadřazeným uzlem periodicky volány a pak vysílají formou potřebného počtu bitů

stav logických signálů na svých vstupech. Počet sběrných modulů, počet jejich vstupů i jejich rozmístění je třeba volit tak, aby •

obsluhovaly funkčně související zařízení s ohledem na možnosti jejich zálohování (při poruše modulu nebo zařízení),

•

aby jejich kapacita byla přiměřeně využita (dostatečné rezervy se vždy vyplatí),

•

aby kabeláž k nim byla minimalizována,

•

a aby celková cena představovala rozumný kompromis. Logických výstupních signálů bývá podstatně méně také proto, že zobrazovače a řada dalších

zařízení se ovládá jinak (například přímo po sběrnici). Většinou se jedná v podstatě o výkonové (tranzistorové) spínače, které spínají vnější napětí (nečastěji vozové baterie, u jiných často prostřednictvím vložených relé či stykačů). Výstupní obvody musí zajišťovat •

potřebný proud (výkon) podle potřeb ovládaného zařízení (svítivka, relé, cívka stykače apod.),

•

galvanické oddělení na potřebné úrovni,

•

odolnost proti zkratu, připojení jiného napětí, jeho přepólování,

- 23 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 2. Sítě •

odolnost proti napěťovým špičkám vznikajícím například při vypínání induktivní zátěže (např. EPV),

•

vlastní kontrolu, například kontrolu napájení spínačů vnějším zdrojem, přerušení spínaného obvodu, zkrat ve vnějším obvodu a signalizaci těchto stavů. Spínače mohou mít společné vnější napájení, bývá ale výhodné rozdělit spínače do více

samostatně napájených skupin. To umožňuje v nezbytných případech vložit do přívodu ke spínači další kontaktní logiku. Výstupní obvody bývají uspořádány konstrukčně podobně jako vstupní, podle velikosti výkonu je jejich počte v modulu nejvýše poloviční. Často jsou vstupní a výstupní obvody kombinovány do jednoho modulu (např. 16 vstupních+8 výstupních apod.). Důvodem pro rozdělení vstupních a výstupních obvodů do modulů je také poměrně velký ztrátový výkon. Galvanické oddělení vstupních obvodů zajišťují zpravidla optočleny, které potřebují na vstupu řádově napětí 1 V a proud 10 mA. Při napětí vstupních signálů (baterie) 24 V musí být pro každý vstup v předřadném děliči ztracen (a vychlazen) výkon řádově 200 mW. To je spolu s konstrukčními možnostmi připojení omezujícím kritériem pro počet vstupů na modulu. Podobně při spínání výstupního proudu 1 A s úbytkem na tranzistoru 1V je ztrátový výkon okolo 1 W. Příklad zapojení takových uzlů je na Obr. 21.

Obr. 21 Příklady modulů pro vstup a výstup (UniControls Praha) (471mod.dwg) Vstupní analogové signály jsou generovány nejčastěji čidly (proudu, napětí, otáček, teploty atd.). Ta obyčejně již svou konstrukcí nebo zapojením zajišťují galvanické oddělení. Převod signálu na binární tvar (např. 1…4 byte) se provede v A/D převodníku nebo v čítači. Ty jsou zpravidla již součástí procesorové desky, která je má dále využívat. Typicky se jedná o regulátory měničů

- 24 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 2. Sítě umístěné v jejich skříních spolu s čidly. Zdůrazněme, že přesnost regulace závisí zpravidla na přesnosti a stabilitě čidel (zpětné vazby). Výstupní analogové signály jsou zapotřebí spíše výjimečně, například pro spolupráci se speciálními (někdy přímo předepsanými) zařízeními. Závěrem se ještě zmíníme o vlastnostech vedení pro signály (a ovšem i pro trakční a pomocná zařízení). Vzhledem k prostředí na vozidlech jsou na ně kladeny značné požadavky. Kromě čistě elektrických parametrů (průřez, isolační pevnost) jsou to zejména •

mechanické vzhledem k otřesům, což znamená použít výhradně lanka a zajistit jejich náležité upevnění a zároveň umožnění vzájemného pohybu různých spojovaných zařízení (mohou kmitat různě),

•

chemické odolnosti proti vnějším vlivům (voda, glykol, oleje, náplně akumulátorů, kondenzátorů a další kapaliny, mazadla, uhlíkový nebo kovový prach),

•

odolnost při kolísání teploty okolí v předepsaných mezích (jedná se především o použitou izolaci, která může při nízkých teplotách tvrdnout a praskat, při vysokých naopak měknout),

•

požární předpisy, přísné především u podzemní dráhy a obecně u vozidel pro dopravu cestujících (týká se opět především izolace – nehořlavost, netoxičnost, nekouřivost při vysokých teplotách, které mohou vznikat například působením elektrického oblouku při poruchách),

•

konstrukční, například dovolené poloměry ohybů, způsoby odstraňování izolace a obecně způsoby zakončování vedení, provedení svorkovnic, označování vodičů a řada dalších. Vzhledem k tomu, že větší část poruch v řídicích obvodech vzniká na kontaktních spojeních je

řešení naznačených konstrukčních problémů významné pro zajištění spolehlivé funkce celého systému.

2.4

PŘÍKLADY SÍTÍ NA VOZIDLECH Pro ilustraci uvedeme v tomto odstavci zjednodušená zapojení řídicích počítačových sítí

vybraných vozidel. Ačkoliv platí co vozidlo to jiná síť, v zásadě jsou si většinou podobné, protože musí zajistit podobné základní funkce.

Obr. 22 Blokové schéma řízení lokomotivy 14E SATS (site1.bmp)

- 25 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 2. Sítě Na Obr. 22 je velmi jednoduché blokové schéma řízení lokomotivy 14E SATS [5], které nicméně vystihuje základní strukturu řízení i v následujících příkladech.

Obr. 23 Blokové schéma řízení tramvaje GT 8 (site2.bmp) Na Obr. 23 je blokové schéma řízení asynchronní třídílné tramvaje GT 8, které naznačuje také rozdělení výzbroje na subsystémy.

Obr. 24 Blokové schéma řízení lokomotivy Le Shuttle (site3.bmp)

- 26 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 2. Sítě Obr. 24 znázorňuje již poměrně velmi podrobné schéma řídicích obvodů lokomotivy pro dopravu nákladních vlaků tunelem pod Kanálem „Le Shuttle“ [1]. Provoz normálně zajišťují dvě lokomotivy na obou koncích vlaku, společně řízené. Legenda k Obr. 24: ALG - řízení pohonu,

MPN – displej,

ATO – automatické řízení vlaku,

RA – Radiové spojení,

ATP – automatické zabezpečení vlaku,

RC – radiové řízení,

BRI – počítač řízení brzdy,

SGL – řízení měniče,

BUR – řízení měniče pomocných pohonů,

SR – trakční měniče,

FLG – řízení vozidla,

SSB – řídicí obvody 110 V,

FR – počítač na stanovišti,

v-M – měření rychlosti

Konečně (bez podrobnějšího výkladu) uvedeme blokové schéma řízení ICE na Obr. 25 podle [8].

Obr. 25 Blokové schéma řízení ICE (site4.bmp) Za pozornost stojí hojné využití optických kabelů především pro přenos signálů po celé délce soupravy. Zřejmě hlavním důvodem k tomu byla odolnost proti rušení.

- 27 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 3. Programové vybavení

3 PROGRAMOVÉ VYBAVENÍ Z pochopitelných důvodů se tomuto tématu můžeme věnovat jen velmi okrajově. Cílem je pouze naznačit problematiku se strany návrhu vozidla a jeho provozu. I vybraná část, která se týká technologického SW představuje pouze povšechnou informaci o přístupu k řešení nebo porozumění těmto otázkám, protože skutečně používané postupy se rychle vyvíjejí . SW bývá v závislosti na typu vozidla poměrně rozsáhlý a různorodý. Typické úkoly jsou zejména •

řízení sběru dat, jejich kontrolu a uložení,

•

řízení výstupu dat pro ovládání a sdělovače,

•

řízení běhu aplikačních (technologických) programů, jejich sled a opakování,

•

vlastní aplikační programy,

•

řízení komunikace na sběrnicích mezi jednotlivými uzly v sítí,

•

řízení zobrazovačů, aktualizace informací, výběr prioritních zpráv pro zobrazení,

•

sběr, vyhodnocení a uložení diagnostických a provozně statistických dat,

•

operační systém reálného času,

•

kontrola interních funkcí (autotest) využívání zálohování, chování při zjištění chyb, reset a podmínky pro nový start po resetu. K tomuto přehledu uvedeme pouze některé poznámky z hlediska potřeb vozidla jako celku a jeho

provozu. Pro ilustraci jsou uvedeny některé konkrétní příklady z projektu předměstské jednotky 471 pro ČD, kterého se autor zúčastnil.

3.1

VÝCHODISKA PRO NÁVRH ŘÍZENÍ Východisky pro návrh řízení jsou zejména

•

projekt vozidla jako celku,

•

požadavky na způsob ovládání a předpokládaný provoz

•

požadavky unifikace s jinými vozidly nebo jejich díly. Projekt vozidla jako celku určuje zejména použitá zařízení trakčního obvodu a obvodu

pomocných pohonů a zařízení, jejich rozmístění ve vozidle a tím určuje základní strukturu a požadavky na jejich řízení. Ze způsobu ovládání ze stanoviště, který musí respektovat charakter provozu jsou odvozeny použité ovladače a sdělovače (stanoviště – MMI), předpokládaný rozsah automatizace provozu, požadavky na zálohování apod. Míra unifikace s již provozovanými vozidly představuje omezení při řešení řízení především v závislosti na dosavadním vybavení tratí a provozovaných vozidel a na rozsahu a typu sítě. Čím rozsáhlejší síť a různorodější provoz tím složitější bývají požadavky. Návrh vychází zejména •

ze seznamu řízených zařízení (pokud jsou v známá),

•

z jejich funkcí a vztahů k ostatním zařízením,

•

z rozsahu vlastní „inteligence“, například vlastního podřízeného řídicího počítače,

•

počtu vstupních a výstupních signálů a požadavků na rychlost komunikace,

- 28 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 3. Programové vybavení •

prostorového rozmístění jednotlivých zařízení ve vozidle,

•

z potřeb bezpečnosti funkce, ochran a diagnostiky jednotlivých zařízení. Na základě těchto údajů se zpracuje projekt řízení, který představuje v nejobecnější rovině

zadání pro počítačové odborníky. V něm se postupně zpracuje •

Specifikace subsystémů. Subsystémy představují zařízení nebo jejich skupiny, které spolu funkčně i prostorově souvisí. Subsystém by měl tvořit pokud možno samostatný celek tak, aby minimalizoval požadavky na komunikaci s nadřazeným systémem a zejména je třeba „uzavřít“ v něm všechny vazby kritické z hlediska rychlosti. Typickými případy subsystémů jsou bloky pohonů, stanoviště, brzdová výstroj apod. Podle významu se určí požadavky na zvýšení spolehlivosti (zdvojení komunikace a/nebo použití přímého řízení „po drátu“), na zpětná hlášení a diagnostiku. Všechna zařízení je třeba (na počátku alespoň s přibližnými údaji) do seznamu subsystémů zahrnout.

•

Koncepce řízení vozidla. Je třeba vycházet z požadavků uživatele a předpokládaného provozu na různé způsoby ovládání vozidla a zabezpečení některých funkcí, způsobů přenosu informací na vozidlo a možnosti automatizace řízení jízdy, uspořádání stanoviště, ovladačů a sdělovačů které k tomu budou použity. Dále je nutno vzít v úvahu různá externí zařízení (již daná resp. požadovaná) a způsob jejich začlenění do vlastního systému řízení vozidla. Je vhodné specifikovat několik základních stavů vozidla, definovat je vhodnými logickými veličinami a určit podmínky přechodu mezi nimi podle základních povelů a vnějších okolností, vše v dostatečné obecnosti ale tak, aby byly zahrnuty všechny potenciální provozní i poruchové stavy.

•

Specifikace signálů. Signály tvoří základní kameny pro veškerou následující práci a proto je třeba jí věnovat mimořádnou pozornost. Prakticky jde o poměrně rozsáhlou databázi použitých signálů a řady jejich atributů (například jméno, typ, místo vzniku a určení, popis významu a použití atd.). Protože bezprostředně souvisí se všemi technickými zařízeními na vozidle bude o něm pojednáno dále.

•

Komunikační funkce. Určují typ a základní strukturu sítě a její uzly podle požadavků na množství a nároků na rychlost přenosu dat, vhodné typy sběrnic a odpovídající protokoly, podle požadavků na spolehlivost případné zdvojení přenosových cest, určí se způsob a místa sběru vstupních a výstupních dat (ze stanoviště, ze strojovny).

•

Počítačové funkce. jedná se obecně o algoritmy všeho druhu, zejména, z hlediska projektu jde především o „technologické“ algoritmy. Také o této problematice bude pojednáno dále. Je zřejmé, že zadávací projekt v popsaném rozsahu nelze zpracovat v celé šíři a úplnosti

„najednou“, ale že přirozeně představuje proces úprav, změn a doplňování jak vzhledem k průběhu prací na projektu řízení tak i na vozidle jako celku. Podobným procesem zřejmě bude probíhat i upřesňování složitějších podřízených subsystémů (např. řízení měničů) na jedné a požadavky na řízení či vlastnosti vozidla vcelku na straně druhé. Vzhledem k rozsahu údajů se proto jako neobyčejně závažné jeví zajištění zachování platnosti dokumentace při provádění změn a jejich promítnutí do všech funkčních souvislostí a spolupracujících pracovišť.

- 29 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 3. Programové vybavení

3.2

SUBSYTÉMY Příklady rozdělení zařízení na subsystémy z hlediska řízení jsou zřejmé z obrázků v kap. 2.4.

Velmi zjednodušené schéma řízení, ze kterého je patrné rozdělení na subsystémy jednotky 471 je na Obr. 26.

Obr. 26 Příklad sítě pro řízení jednotky (por_kom1.doc) Část pro řízení bloků trakce a hlavního pohonu je pak rozkreslena na Obr. 27.

Obr. 27 Blokové schéma řízení trakce 471 (471can1.dwg)

- 30 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 3. Programové vybavení Konečně na Obr. 28 je obdobné schéma pro řízení informačního systému (signální tabule a vlakový rozhlas).

Obr. 28 Blokové schéma informačního systému 471 (471obr5.dwg) A, 2, B1, 2 označuje signální tabule v prostorech pro cestující. Reproduktory jim umístěním odpovídají. Tlačítka jsou určena pro vyvolání opakování posledního hlášení.

3.3

KONCEPCE ŘÍZENÍ Jak bude podrobněji uvedeno v následující kapitole počet logických řídicích signálů je značný

a tedy teoretický počet jejich kombinací nesmírný. Naštěstí prakticky významný počet kombinací je daleko menší, protože každý signál se uplatňuje pouze v omezeném počtu podmínek. Vhodným „seskupením“ signálů lze vytvořit nebo přímo vybrat poměrně malý počet nejdůležitějších signálů, které pak charakterizují významné provozní stavy vozidla. Tyto stavy musí zároveň odpovídat všem předpokládaným způsobům ovládání vozidla ze stanoviště i automatickými systémy řízení. Konečně musí být možné zahrnout jednoznačně všechny reálné stavy do některého těchto souhrnných stavů. Konkrétně pro jednotku 471 byl zvolen nový postup při uvedení vozidla do provozu jediným přepínačem s polohami START, X, VYPNI PROUD, STÁHNI SBĚRAČ. Z vypnutého a uzemněného stavu se přeložením do polohy START za normálních okolností postupně provedou všechny potřebné manipulace až po nabití filtru a start primárního měniče pomocných pohonů. V případě, že tomuto procesu brání nesplnění nějaké podmínky signalizuje se příčina. Naopak při přeložení spínače do polohy VYPNI PROUD nebo STÁHNI SBĚRAČ se provedou potřebné manipulace (sjetí z tahu, přechod na nezávislou brzdu atd.) až do dosažení požadovaného stavu. Vlastní řízení tahu zajišťuje systém AVV podle nastaveného režimu (Ručně, Regulace rychlosti, Cílové brzdění+optimalizace), které se uplatní v závislosti na momentálním stavu. Základní stavy a jejich definice vybranými signály pro 471 jsou uvedeny na Obr. 29.

- 31 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 3. Programové vybavení

Obr. 29 Stavy a jejich definice (sw3.bmp)

Obr. 30 Přechody mezi stavy při povelu Start a Stop (stavy1.bmp)

- 32 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 3. Programové vybavení Podrobnější blokové schéma je na Obr. 31 zároveň s velmi zjednodušeným schématem trakčních obvodů a hlavních ovladačů.

Obr. 31 Schéma stavů a podmínek přechodů pro 471 (471stav3.dwg)

3.4

SIGNÁLY Signály jsou základním „materiálem“ pro další práci. Tvoří výchozí databázi v rozsahu stovek

až tisíce položek. Na vhodném návrhu její struktury (možnosti vyhledávání, úprav a změn) závisí do značné míry úspěch nebo přinejmenším doba pro tvorbu SW. Druhou podmínkou je vysoká pečlivost při vytváření položek této databáze, což je zřejmě velmi náročná ruční práce, kde záleží na pečlivosti a úplnosti všech údajů. Při tom z počátku nejsou mnohé potřebné údaje k dispozici a nezbývá, než se k již uloženým záznamům opakovaně vracet, doplňovat je a popřípadě měnit tak jak to postupující práce vyžadují. To je obzvlášť náročná práce, protože je nezbytné změny promítnout často do několika dalších záznamů a ty třeba ještě dál. Základním údajem je pro každý signál identifikátor a jméno. Identifikátor musí být samozřejmě jedinečný a je vhodné, aby vyjadřoval i některé další informace o povaze signálu, například •

typ proměnné, která signál popisuje (logická =L..1 bit, bytová=B…8 bit, slovo=W…16 bit apod.),

•

vstup/výstup (vzhledem k řídicímu počítači); v hierarchických strukturách bývá tentýž signál pro jeden uzel výstupní a pro druhý vstupní),

•

označení zdroje signálu (je jen jeden!) podle příslušnosti k některé skupině zařízení (to určuje také místo ve vozidle),

- 33 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 3. Programové vybavení •

vhodně řadit znaky ve jménu tak, aby zjednodušovaly třídění, například aby různé signály z jednoho ovladače následovaly (při abecedním řazení) bezprostředně za sebou. Každý signál má kromě identifikátoru jméno – stručný text, který ho popisuje. Speciální

možnosti češtiny využívá doporuční VÚŽ, které mluvnickým tvarem umožňuje rozlišit 4 příbuzné signály (Obr. 32 Stykač zapni, Stykač zapnout, Stykač zapnutý, Stykač zapnul).

Obr. 32 Jména příbuzných signálů podle VÚŽ (grafcet.dwg) Pro každý signál je kromě identifikátoru (skupina znaků) a jména (textové označení) nejdůležitější a také nejpracnější vypracovat popis signálu.Jde o text, který má jednoznačně určit pro daný signál •

jeho zdroj,

•

význam úrovně H a L popřípadě převod mezi binární hodnotou a technickým významem,

•

využití signálu v algoritmech a co možná úplný popis působení,

•

pokud jde o hodnotu nastavovanou podmínky pro nastavení a mazání a případně způsob signalizace jejího stavu,

•

určení hodnoty signálu po resetu nebo při poruše (například komunikace) pro zajištění bezpečného stavu zařízení,

•

speciální požadavky na zpracování signálu (rychlost, perioda aktualizace apod.). U diagnostických signálů je třeba určit způsob zobrazení a uložení a jeho doplnění okolnostmi

vzniku diagnostikované skutečnosti (datum, čas, režim vozidla apod.). U signálů, které se zobrazují je třeba určit formu zobrazení, v kterém snímku a zda trvale, jednorázově nebo opakovaně a v jaké periodě apod. Ukázka takového seznamu signálů je na Obr. 33. Ve třetím sloupci je uvedeno, na který ze sběrných modulů a který jeho vstup (svorku) je signál připojen.

- 34 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 3. Programové vybavení

Obr. 33 Příklad seznamu signálů a jejich popisů (sign.bmp)

- 35 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 3. Programové vybavení

3.5

ALGORITMY Aplikační algoritmy můžeme rozdělit na algoritmy

•

pro číslicové regulátory všeho druhu: hlavních pohonů, pomocných pohonů, regulace tahu, rychlosti, cílového brzdění, řízení průběžné brzdy, skluzovou ochranu aj.,

•

pro logické řízení, tzn. řízení prostřednictvím logických signálů. V dalším se zmíníme pouze o logickém řízením, protože vychází z úrovně řízení vozidla jako

celku. Jedná se zejména o tyto úkoly •

řízení spínacích přístrojů a kontrolu jejich funkce, blokování, chování při poruchách,

•

ovládání logických vstupů regulátorů (Control Word) jako volba režimů, směr jízdy, souhlas se zvyšováním nebo snižováním výstupů, jejich omezení, obsluha poruchových hlášení aj.,

•

sledování jejich činnosti (Status Word), kontrola správné odezvy na povely, hlášení o poruchách součástí měničů, překročení teploty chladiva atd.,

•

tvorbu diagnostických zpráv pro obsluhu a řízení jejich zobrazení a ukládání. Aplikační programy musí v co největší míře umožnit nastavování parametrů jednotlivých funkcí

jako hodnoty omezení, časové údaje o prodlevách, rychlostech nárůstu a poklesu veličin, konstanty převodníků, linearizační tabulky, velikost hystereze atd. pro rychlé a spolehlivé úpravy programů při ladění (bez nežádoucích důsledků). Algoritmy by měly splňovat především dva základní požadavky •

úplnost a přesnost a

•

srozumitelnost a přehlednost. Tyto požadavky jsou zřejmě v protikladu a nalezení optimálního kompromisu je obtížné.

Východiskem jsou podklady podle předchozích kapitol. Algoritmy lze vyjádřit mnoha způsoby s různou mírou splnění uvedených požadavků. 3.5.1

SLOVNÍ VYJÁDŘENÍ

V podstatě jde o text, který popisuje požadovanou činnost v jednotlivých situacích. Může být srozumitelný, ale jen stěží zcela přesný a přehledný. Obtížně se kontrolují případy, kdy se činnost větví podle většího množství kombinovaných logických podmínek. Je vhodný pro rámcový návrh základních funkcí, například při popisu chování ve stavovém diagramu. Pro psaní vyhoví kterýkoliv textový editor. Příklad takového popisu je na Obr. 34. Zachycuje malou část logického řízení při startu 471.

- 36 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 3. Programové vybavení

Obr. 34 Slovní vyjádření algoritmu (sw1.bmp) 3.5.2

PSEUDOPROGRAM

Pseudoprogram využívá základní strukturu vyšších programovacích jazyků, pro vyjádření logických operací může používat standardní klíčová slova (befin – end, if – then, for …) nebo vlastní termíny. Činnosti se popíší textem, podle požadavků a možností přesně (v okamžiku psaní). Výhodou je zřetelná logická struktura, při použití již definovaných jmen signálů také přesná, kontrola snadná.Je při tom přehledný a srozumitelný. Lze ho snadno psát i upravovat v textovém editoru. Je vhodný (event. i postačující) pro základní návrh algoritmů s jednodušší logikou. Příklad je uveden na Obr. 35 a týká se algoritmu souvisejícího s ovládáním magnetické kolejnicové brzdy (neodpovídá dále uvedenému vývojovému diagramu).

- 37 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 3. Programové vybavení

Obr. 35 Pseudoprogram (sw2.bmp)

3.5.3

VÝVOJOVÝ DIAGRAM

Vývojový diagram je především grafické znázornění algoritmu („obrázkem“). Jako takové je velmi přehledné, snadno se kontroluje, může zajistit správnou logickou strukturu (pokud jsou podmínky správně vyjádřeny), dobře vystihuje skutečnou činnost za daných podmínek. Na druhé straně je jeho tvorba pracná a ještě obtížnější je provádění změn ve složitějších případech. V jednodušších případech lze využít Autocad nebo jiný obdobný grafický program (jeho nejjednodušší verzi). Příklad je na Obr. 36.

- 38 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 3. Programové vybavení

Obr. 36 Vývojový diagram (471brz7.dwg)

3.5.4

GRAFCET

Grafcet je způsob vyjádření algoritmů logického řízení a vychází z principu Petriho sítí. Jeho forma i pravidla tvorby jsou standardizovány normou [9] . Algoritmus je přesný a může sloužit pro tvorbu vlastního programu. Umožňuje také synchronizaci různých paralelně probíhajících procesů. Pro zápis algoritmu i konečný překlad do vyššího programovacího jazyka jsou k dispozici speciální programy (např. ISA GRAF). Grafcet používá základní elementy podle Obr. 37

Obr. 37 Základní elementy grafcetu (grafcet.dwg) - 39 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 3. Programové vybavení Čtverec v Obr. 37a) se označuje jako „krok“, představuje nějakou činnost, která může být popsána v komentáři. Příčka se označuje jako „přechod“ a představuje podmínku pro přechod k další činnosti, k dalšímu kroku. Přechod představuje logickou podmínku a může být •

uvolněn, když je logická podmínka splněna, pak lze pokračovat v činnosti v následujícím kroku,

•

neuvolněn, když není logická podmínka splněna a pokračovat nelze,

•

„vymazán“, jestliže proces již přes přechod přešel (pokračuje za přechodem). Pro sledování průběhu procesu (např. při animaci, modelování apod.), se podle Obr. 37b)

označuje krok (proces), který právě probíhá „puntík“, který se posunuje tak, jak algoritmus probíhá. Z těchto elementů se pak sestavují sítě především s použitím dvou typických pravidel, které řídí průběh činnosti při více paralelních možnostech.

Obr. 38 Paralelní procesy v grafcetu (grafcet.dwg) V případě podle Obr. 38a) se spustí (stane se aktivním) ten z paralelních procesů, jehož přechod na vstupu se uvolní jako první. Ostatní procesy se neprovedou a činnost pokračuje po splnění logické podmínky na výstupu aktivního kroku. V případě podle Obr. 38b) se po uvolnění přechodu na „vstupní“ straně spustí všechny paralelní činnosti. Pokračování je pak podmíněno uvolněním přechodu (splněním podmínky) na vstupu dalšího kroku. Příklad části skutečného grafcetu (týká se řízení metra) je uveden na Obr. 39, který je generován zmíněným programem ISA GRAF. Jeho sledování bez širších znalostí není zřejmě možné.

- 40 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 3. Programové vybavení

Obr. 39 Příklad grafcetu (grafc.bmp)

3.5.5

VYŠŠÍ PROGRAMOVACÍ JAZYKY

Vlastní programování potřebných algoritmů již nespadá do obsahu těchto skript. Kromě některých specializovaných jazyků se velmi často používají verze jazyka C. V případech, kdy je požadována zvláště vysoká rychlost se může vyskytnou i potřeba programovat kritické činnosti v assembleru.

- 41 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 3. Programové vybavení

3.6

DOKUMENTACE SW Určitou představu o obsahu, rozsahu a náročnosti dokumentace SW si lze vytvořit z předchozích

odstavců. Jeho vytvoření je nepochybně i při využití počítačových metod náročná práce. Daleko náročnější je však udržovat její platnost v průběhu projektu i jeho realizace a v počátečních fázích provozu. Snadnost provádění změn a časový tlak v běžných situacích může snadno způsobit situaci, kdy zjistit skutečný stav SW je i pro autora téměř nemožné. Pokud je celý SW vytvářen vcelku a na jednom pracovišti je také aplikován je situace ještě relativně příznivá. Komplikace mohou působit zařízení, která jsou vyvíjena u specializovaných firem a dodávána hotová (nebo „hotová“). Jejich začlenění může být obtížné, zvláště když jejich vlastnosti a požadavky nejsou přesně známé (některé firmy podrobnosti tají), jsou získány až při montáži zařízení (tj. v době, kdy je projekt SW prakticky hotový) a jsou zapotřebí dodatečné úpravy. Udržet aktuálnost dokumentace i v takových podmínkách je prakticky nemožné avšak nezbytné. Ačkoliv je pečlivost při zpracování a především udržování v aktuálním stavu prací považována za netvůrčí, nezáživnou a „podřadnou, nehodnou programátora“ činnost, nelze dostatečně zdůraznit její potřebnost a význam.

- 42 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 4. Diagnostika

4 DIAGNOSTIKA Diagnostikou můžeme v různých souvislostech rozumět všelicos. V našem případě jde především o prostředky pro hledání nebo signalizaci závad pro jejich rychlé odstranění. Zařízení schopná nějakým způsobem předem avizovat blížící se poruchu byla již dříve vyvíjena, ale v podstatě bez úspěchu. Zřejmě tomu brání nedostatek čidel, schopných vydržet dlouhodobě provoz na vozidlech i metodika zpracování a vyhodnocení jejich údajů. Asi nejdál pokročily snahy o provozní diagnostiku izolace trakčních motorů (stejnosměrných). Do běžného provozního využívání však nepronikly. Za jediný, i když „primitivní“ způsob aplikovatelný v praxi (na vozidlech s procesorovým řízením velmi jednoduše) je registrace provozního využití některých zařízení (například motohodiny kompresoru, počet vypnutí rychlovypínače apod. Procesorový řídicí systém lze snadno využívat pro sběr dat o provozu jako je celkový proběh, odebraná energie, rekuperovaná energie, proběh na jednotlivých trakčních systémech a podobně. Tyto údaje mohou přirozeně v komplexu vypovídat o namáhání, opotřebení, stárnutí nebo degradaci některých dílů. Za preventivní diagnostiku je ale asi značit nelze. Na druhé straně statistika poruch jednotlivých uzlů v provozu je velmi cenným zdrojem informací pro předcházení poruchám (úpravami nebo záměnou poruchových uzlů). Pokud se budeme věnovat diagnostice ve smyslu uvedeném v úvodu, můžeme sledovat jak se požadavky, možnosti a názory na diagnostiku vyvíjely spolu s vývojem vozidel. U vozidel se stupňovým řízením se jednalo prakticky o logické řízení s úrovní signálů odpovídající vozové baterii. Pro identifikaci závad stačila žárovková zkoušečka a dobrá znalost řídicích obvodů lokomotivy (u strojvedoucích samozřejmá). Určité problémy nastávaly v obvodech s velkým počtem blokovacích kontaktů v sérii s odhalením místa přerušení (mnoho míst k měření různě v prostoru strojovny). Jako „zárodečná“ forma diagnostiky byly proto použity svítivky připojené na potenciály mezi jednotlivými kontakty a které tak okamžitě ukázaly na příčinu. Ostatní zařízení dodatečně doplňovaná do vozidel případně stacionární diagnostická stanoviště (na ruských železnicích) byla složitá, těžkopádná, drahá a málo účinná. U vozidel s plynulou regulací a stejnosměrnými motory (pulzní a tyristorová regulace) se možnosti získání informací o stavu zařízení značně rozšířily. Informací bylo možno získat tolik, že je nebylo možno indikovat bez ztráty přehlednosti (viz díl 9. Řízení jízdy, kapitola o stanovištích). V této fázi se postupně přecházelo k systému indikace poškozeného bloku (desky) a k použití vhodného způsobu nouzové jízdy. Podrobnější hledání závady v provozu již možné nebylo, opravy v depech ale byly možné. Teprve použití procesorové techniky a s ní i možnosti zobrazovačů umožnily (a zároveň učinily nezbytnou) skutečnou diagnostiku, i když stále jen ve smyslu signalizace závad a možností dalšího provozu. Diagnostika je nedílnou součástí řídicích obvodů a hlediska diagnostiky musí být již od počátku návrhu respektovány. Za již praxí ověřený princip při jejím návrhu lze považovat zásadu, „udělat diagnostiku tak, aby mi dobře posloužila při uvádění do provozu“. Jednak je diagnostika při uvádění do provozu nejvíce zapotřebí (v běžném provozu by měly být

- 43 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 4. Diagnostika poruchy jen velmi vzácné – tím se také uvádění do provozu od běžného provozu liší), jednak ji tvůrce může nejlépe využívat (a kritizovat jen sebe). Další popis diagnostického systému je třeba považovat za příklad, i když uvedené zásady jsou dosti obecné a v různých obměnách se vyskytují v moha případech. Úkolem diagnostiky je tedy informovat strojvedoucího nebo řidiče o poruchách a to odstupňovaně podle závažnosti jen o těch, na které musí reagovat. V lepším případě může systém doporučit způsob reakce. Ostatní poruchy se pouze registrují. Podle toho lze rozdělit diagnostické události do tří kategorií •

A) bezprostřední nebezpečí, nutnost okamžitého zásahu; porucha se signalizuje až do kvitování řidičem, může být zdůrazněna akustickým signálem,

•

B) potenciální nebezpečí, zapotřebí zvýšená opatrnost, úprava jízdního režimu; porucha se signalizuje trvale, pokud potenciálně nebezpečný stav trvá,

•

C) ostatní poruchy, které nepředstavují nebezpečí, ale snížení komfortu, omezení pomocných funkcí; tyto poruchy se pouze zapisují, ale nesignalizují na pult. Všechny zaznamenané poruchy lze vyvolat na displeji (včetně souvisejících údajů), předpokládá

se ale až když je vozidlo mimo provoz. Jméno (identifikátor) diagnostického signálu může zároveň udávat •

kategorii poruchy (A, B, C),

•

zařízení (subsystém) kde porucha nastala,

•

způsob, kterým se má na signál reagovat. Reakce může být v závislosti na okolnostech různá podle vlastností zdroje signálu. V případech, kdy porucha „sama pomine“ například vypnutím hlavního vypínače, musí se

informace zapamatovat a po kvitanci paměť resetovat. Jestliže poruchový signál je trvalý („pamatován v zařízení“ – vysoká teplota chladicího média) není nutno poruchu pamatovat a kvitovat ji lze nejlépe takovou obsluhou , aby „přirozenou cestou“ zanikla (vychlazení chladiva, odpojením podvozku). U poruch, u kterých má být reakce odstupňována při (častém) opakování se první zpracuje podle kategorie (pokud nejde o kategorii A), ostatní se pouze zaznamenají. Diagnostický systém by měl také rozlišit poruchu prvotní od poruchových signálů, které jsou jí přímo vyvolány a zobrazit pouze informaci o prvotní poruše (při výpadku hlavního vypínače přestane přirozeně pracovat primární měnič pomocných pohonů, zastaví se čerpadla chladiva atd.). Kromě jména poruchy je pro další využití nutno zaznamenat další informace pro upřesnění její příčiny. Každá informace o okolnostech poruchy může významně napomoci zjištění příčin poruchy. Ve všech případech se zaznamená datum a čas poruchy a podle druhu také například •

rychlost jízdy,

•

požadovaný tah

•

napětí v troleji,

•

režim pohonu,

•

režim pneumatické a dynamické brzdy,

•

režim jízdy (ručně, automaticky),

- 44 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 4. Diagnostika •

stav měniče pomocných pohonů,

•

napětí sítě pomocných pohonů ap. a

•

u souprav také na kterém vozidle k poruše došlo. Diagnostických zpráv může být značné množství (stovky) a jejich ukládání i prezentaci je tedy

třeba věnovat náležitou pozornost tak, aby efektivně sloužily při zjišťování příčin poruch a jejich odstraňování.

- 45 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 5. Bezpečnost

5 BEZPEČNOST O otázkách bezpečnosti se přirozeně zmíníme je okrajově a jen ve vztahu k vozidlům. Bezpečnost (zařízení) může být posuzována dvěma způsoby [10] •

kvalitativní – například Fail Save, při

poruše zaujme zařízení vždy bezpečný stav, typické

posuzování zabezpečovacích zařízení, •

kvantitativní, založená na statistice a pravděpodobnosti. Kromě toho se rozlišuje bezpečnost primární – daná technickým provedením a bezpečnost

sekundární, kdy se uvažuje i vliv člověka (do jaké míry může činnost člověka ohrozit správnou funkci zařízení). Ve skutečnosti se ale jedná vždy o bezpečnost kvantitativní, protože nikdy nelze uvažovat úplně všechny možné případy, nýbrž jen vybrané (pravděpodobné). U zabezpečovacích zařízení jsou například předpisem stanovena zařízení a postupy, které se považují za bezpečné, to znamená, že pravděpodobnost selhání je dostatečně malá. Ve skutečnosti se tedy vždy musí akceptovat určitá míra rizika jako opak bezpečnosti. Stanovení míry rizika souvisí také s náklady na příslušně bezpečné zařízení. Obecně platí závislost podle Obr. 40.

Obr. 40 Cena v závislosti na bezpečnosti resp. riziku (riziko.dwg) Velikost přípustného rizika lze odvodit podle •

rozsahu hrozících škod,

•

doby odstavení zařízení v důsledku poruchy,

•

rizika následných poruch a jejich důsledků,

•

pravděpodobnosti poruchy (selhání). Existuje i řada dalších otázek, které je třeba případ od případu posuzovat, například

•

co je v daném případě bezpečný stav (s touto otázkou jsme se už setkali),

•

jaká bezpečnostní omezení lze připustit, aby byl provoz vůbec možný resp. obnovitelný.

- 46 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 5. Bezpečnost •

jak využívat v poruchových stavech „nouzových postupů“, jinak nedovolených, aniž by byla zásadně ohrožena bezpečnost osob a zařízení, to znamená kdy a do jaké míry lze tyto postupy použít,

•

jak vyloučit možnost zneužití (například záchranná brzda). Při posuzování se obyčejně předpokládá, že současně nenastanou dvě navzájem nezávislé

poruchy.

5.1

OCHRANA TECHNICKÉHO ZAŘÍZENÍ Zařízení vozidla je třeba chránit

•

proti vnějším vlivům, například přepětím v troleji svodičem přepětí, ale také vhodnou konstrukcí, která zabrání vnikání vody, sněhu a prachu do citlivých zařízení,

•

proti nedovolené manipulaci například omylem obsluhy (zlý úmysl se obyčejně nepředpokládá) vhodným blokováním (logickými vazbami v řízení)

•

proti následkům poruch vlastního zařízení vozidla (nadproudy, požár, poruchy izolace, překročení dovolené provozní teploty jednotlivých zařízení aj.). Všeobecně je zřejmě nutno vyžadovat, aby spolehlivost ochran byla řádově větší než

spolehlivost chráněného zařízení. Ochrany jsou v činnosti zpravidla velmi zřídka, ale pak musí fungovat. Dalším přirozeným požadavkem je selektivita ochran, aby při poruše bylo odpojeno pouze zařízení, na kterém se porucha vyskytla. V této souvislosti je třeba upozornit na nebezpečí „přeblokován“. Ochrany a blokování by měly být omezeny na přiměřenou míru, která zajistí bezpečnost, ale na druhé straně dovolí všechny přípustné nouzové režimy. Zvlášť nebezpečné jsou nespolehlivé ochrany v tom smyslu, že účinkují bez příčiny. Takové „ochrany“ komplikují provoz a často vedou k jejich obcházení se zřejmými následky při skutečné poruše.

5.2

BEZPEČNOST OSOB Na vozidlech existuje řada nebezpečí, z nichž pouze některá lze vyloučit technickými opatřeními.

Zbývající jsou omezována různými předpisy, školením zaměstnanců apod. Přes to je vždy na místě opatrnost. Co se týče zabezpečení proti úrazům elektrickým proudem existují příslušné předpisy, které stanovují ochranu v jednotlivých konkrétních případech. Přesto je dobré si připomenout, že na všech moderních vozidlech jsou (často velmi veliké) kondenzátory, které i po vybití mohou částečně obnovit své napětí a tak představují nebezpečí. Nebezpečí představuje také práce na střeše vozidla (samozřejmě při vypnuté a uzemněné troleji), totiž pádem z poměrně velké výšky na tvrdý podklad. I práce ve stísněném prostoru strojovny přináší nebezpečí poranění. Kabina je konstruována tak, aby při kolizi byla obsluha pokud možno chráněna (masivní rám před pultem, únikové cesta, odolná skla čelních oken).

- 47 -

Elektrická trakce 10 – Procesorové řízení 6. Literatura

6 LITERATURA [1] Jandoš J. a kol.: Sítě LAN, Kancelářské stroje Praha 1991 [2] Rhys Haden: Data Encoding Techniques, http://www.rhyshaden.com/encoding.htm [3] Stallings W.: Data and Computer Communications, Chapter 2, Protocols and Architecture [4] Rhys Haden: The OSI Model, http://www.rhyshaden.com/osi.htm [5] Deppisch, G.: Die elektrische Ausrüstung der srsten Zweisystem-Lokomotiven der Baureihe 14E mit Drehstrom-Antriebstechnik für die Südafrikanichen Eisenbahnen SATS, ZEV-DET-Glas. Ann. 114, (1990) č.6 str. 174-184 [6] Schulze, H.“ Fahrzeg-Leittechnik- und Diagnosesystem, Der Nahverkehr 1992 č. 2, str. 20-25 [7] Treacy, R.: R. Lokomotive „Le Shuttle“ für den Eurotunnel, Elektrische bahnen 92 (1994) č. 5, str. 131-141 [8] Hartmann, B.: Die Triebköpfe des InterCityExpres, Elektrische Bahnen 1991 č. 5, str,140 [9] -: Navrhování funkčních diagramů pro systémy řízení, ČSN-IEC 848, 1. vydání 1988 [10] Ráztočný: přednáška Vrútky 10.10.1996

- 48 -