Использование мультиплексных каналов для управления электрическими аппаратами на электроподвижном составе Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Современные технологии - транспорту

67

УДК 629.423:621.3.025 Е. В. Сирая

Петербургский государственный университет путей сообщения

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МУЛЬТИПЛЕКСНЫХ КАНАЛОВ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ НА ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОМ СОСТАВЕ

Представлен способ оптимизации кабельного оборудования для управления силовыми электрическими аппаратами электроподвижного состава путем использования мультиплексных каналов. В качестве интерфейсов для обмена данными возможно применение таких последовательных интерфейсов, как CAN, I2C.

мультиплексный канал, электроподвижной состав, интерфейс, протокол.

Введение

Обычная коммуникация электрического оборудования, при которой каждому сигналу управления соответствует 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 весьма актуальны на всех видах транспорта.

1 Принципы управления электрооборудованием электроподвижного состава

Принципы управления электрооборудованием электроподвижного состава (ЭПС) можно разбить на две категории:

1) плавное управление работой электромашинных приводов с помощью полупроводниковых преобразователей импульсными сигналами длительностью 50-70 мкс с переменными интервальными задержками;

2) дискретное управление электромеханическими аппаратами с помощью электрических или электропневматических приводных механизмов, а также диагностика со-

стояния аппаратов по дискретным сигналам с их приводных механизмов.

Под первую категорию подпадают тяговые и вспомогательные электроприводы, которые получают питание от регулируемых полупроводниковых преобразователей. Для управления работой такого оборудования необходимы сложные команды, которые формируются системой управления преобразователями согласно определенным алгоритмам включения и выключения силовых полупроводниковых приборов.

Вторая категория распространяется на различные коммутационные аппараты: контакторы, выключатели, переключатели, разъединители. Управление такими аппаратами производится простыми дискретными сигналами постоянного тока напряжением 50 или 110 В, например на электровозах ЭП2К, ЭП10 [1, 2].

2 Управление силовыми

аппаратами на ЭПС

Управление электрооборудованием осуществляется от модуля управления локомотивом (центрального микропроцессорного контроллера, технологических микропроцессорных контроллеров). Модуль управления локомотивом задает конфигурации силовой цепи, контролирует состояние и управляет работой электрических аппара-

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/4

68

Современные технологии - транспорту

тов силовых цепей по заданным алгоритмам, обеспечивающим координацию действия оборудования электровоза.

Сигнал на включение аппарата, подаваемый модулем управления локомотивом передается на модуль ввода-вывода дискретных сигналов (ячейка вывода дискретных сигналов) (рис. 1). Модуль вывода дискретных сигналов предназначен для обеспечения

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:

+ 110 В

Рис. 1. Принципиальная схема управления электрическими аппаратами

электровоза ЭП10

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).

На рис. 2 показана принципиальная электрическая схема модуля вывода дискретных сигналов [3].

От модуля ввода-вывода дискретных сигналов сигнал управления напряжением 50 или 110 В подается непосредственно или через промежуточные реле на удерживающие, включающие вентили и соленоиды электрических аппаратов.

«замкнут» либо «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. На рис. 3 показана принципиальная электрическая схема модуля ввода дискретных сигналов от аппаратов в микропроцессорную систему.

Таким образом, для включения одного электрического аппарата необходимо по одному проводу подать сигнал на его включение или отключение, а по второму проводу получить сигнал обратной связи о состоянии аппарата. Подобная система управления и диагностики дискретных аппаратов приводит к тому, что между модулем ввода-вывода сигналов и шкафом промежуточных реле задействовано несколько десятков проводов.

2012/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

69

Рис. 2. Электрическая схема канала вывода дискретных сигналов

Рис. 3. Электрическая схема канала ввода дискретных сигналов

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/4

70

Современные технологии - транспорту

3 Применение мультиплексных

каналов на транспорте

Вопросы уменьшения количества проводов в настоящее время весьма актуальны для всех видов транспорта. Так, например, вышеуказанная система управления на автомобиле характеризуется тем, что каждый отдельный сигнал передается по отдельному проводу. Двоичные сигналы передавались только двумя кодами - «1» («вкл.») и «0» («выкл.»). Процесс обмена данными между электронными компонентами автомобиля в настоящее время невозможно рационально осуществить с помощью обычных интерфейсов. Сложность изготовления кабельных жгутов уже сейчас сопряжена с большими затратами, а необходимость обеспечения обмена данными между системами управления дает о себе знать. Поэтому широкое применение для автомобильного оборудования получили мультиплексные шины, позволяющие заменить большое количество проводов одним каналом и основанные на применении протокола CAN. CAN-протокол получил всемирное признание как универсальная, эффективная, надежная и экономически приемлемая платформа почти для любого типа передачи данных в передвижных системах, машинах, на техническом оборудовании и в индустриальной автоматике. 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 [4].

Что касается летательных аппаратов, то проблема многочисленных кабельных линий в этом случае стоит намного острее в силу ограниченности внутреннего пространства. 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. Расширить пространство адресов можно с помощью соответствующего алгоритма программы, что связано с применением дорогостоящего процессора. Как следствие, усложняется оборудование, возрастет потребление энергии, потребуется больше времени на разработку программы [4]. 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 зарубежных аналогов больше, но они довольно дорогостоящие и созданы в большинстве своем для авионики [5, 6].

CAN-интерфейс целесообразно применять для организации управления периферийным оборудованием ЭПС с релейно-дискретными элементами, сконцентрированными в шкафах, силовых блоках или контейнерах. Этот интерфейс характеризуется развитой системой обнаружения и сигнализации ошибок, высокой помехоустойчивостью, нелимитированным числом узлов, подключаемых к шине, а также неспецифицированной средой передачи данных (это может быть витая пара, оптоволоконная линия, коаксиальный провод и т. п.) [4].

В тех случаях, когда оборудование ЭПС рассредоточено по пространству кузовных отсеков для организации последовательных интерфейсов передачи данных, возможно так же применение интерфейса PC. Реализация линий передачи данных и общая идеология обмена данными напоминают интерфейс CAN. Отличия заключаются в упрощенном кодировании информации, меньшем объеме служебной информации в пакете данных и меньшей себестоимости оборудования, что является несомненными преимуществами.

4 Реализация мультиплексной шины для управления силовыми аппаратами ЭПС с применением протокола I2C

Для реализации мультиплексного канала по протоколу 12С необходимо задействовать

2012/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

71

микроконтроллер (МК) и программируемый параллельный порт (ППП) (рис. 4). В микроконтроллерах реализация протокола обмена может быть осуществлена двумя способами: программным или программно-аппаратным. Программный способ реализуется с использованием таких языков программирования, как Ассермблер или Си. Этот способ применяется в микроконтроллерах, в которых отсутствует встроенные аппаратные средства, реализующие протокол обмена. Программно-аппаратный способ реализуется в микроконтроллерах, в составе которых имеется модуль обмена по двухпроводному последовательному интерфейсу. Микроконтроллер серии AT90, представленный на схеме сопряжения, реализует протокол 12С программным способом.

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 битов. Восьмым битом передается признак направления пересылки данных. Уровень логического нуля означает передачу данных в оконечное устройство, уровень логической единицы - приём данных из оконечного устройства. После приема каждого байта выбранное периферийное устройство по линии SDA посылает сигнал подтверждения переводом уровня сигнала на линии SDA в низкий, чтобы показать, что

оно приняло адрес и условие чтения/записи

[5, 8].

Программируемый параллельный порт представляет собой микросхему, имеющую канал последовательной связи I 2С с одной стороны, и 8-разрядный параллельный канал ввода-вывода с другой стороны. В двунаправленном канале I 2С используются две 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. 5) [8].

Обмен данными выполняется по запросу, формируемому микросхемой параллельного программируемого порта при изменении сигналов на входах парта. Для этого выход

От

центрального

процессора

Удерживающие и включающие вентили, магниты, катушки эл ект рог невм а тических клапанов аппаратов

Рис. 4. Схема сопряжения модуля ввода-вывода дискретных сигналов со шкафом реле силовых аппаратов

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/4

72

Современные технологии - транспорту

J

\

_г

L

r 1

p U n

\______________________I

п

LJ

п

1

L

J\j\ —

III

г

1

lATY

/Л

Сигнал

«СТАРТ»

Старший бит адреса (бит 6)

Адрес (бит 5)

Младший бит Признак направ- Сигнал подтвер- Старший бит

ленности ждения первого

(бит 0) пересылки приема байта

данных байта данных

Младший

бит

последнего

байта

Сигнал

подтвер-

ждения

приема

байта

Сигнал

«СТОП»

данных

Рис. 5. Временная диаграмма обмена данными по интерфейсу I 2С

INT подключают к выходу PD2 микроконтроллера [7].

Заключение

Для управления электрическими аппаратами на электроподвижном составе с релейно-дискретными элементами, сконцентрированными в шкафах, силовых блоках или контейнерах, а также с оборудованием, рассредоточенным по пространству кузовных отсеков, целесообразно применение мультиплексных каналов с использованием таких последовательных интерфейсов, как CAN, 12C. Протокол 12C 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. Электровоз ЭП2К. Руководство по эксплуатации электровоза. - Коломна, 2009. - 136 с.

2. Система управления и диагностики электровоза ЭП 10 / С. В. Волконовский, М. И. Ко-

решков, С. В. Покровский и др. ; под ред. С. В. Покровского. - М. : Интекст, 2009. - 356 с.

3. Микропроцессорные системы автоматического регулирования электропередачи тепловозов : учеб. пособие для студентов вузов железнодорожного транспорта / А. В. Грищенко, В. В. Грачев, С. И. Ким, Ю. И. Клименко и др. ; под ред. А. В. Грищенко. - М. : Маршрут, 2004. - 172 с.

4. Электронные системы управления ДВС и методы их диагностирования / В. Е. Ютт. - М. : Высшая школа, 2007. - 240 с.

5. Интерфейсы. Выбор и реализация /

A. А. Лапин. - М. : Техносфера, 2005. - 168 с.

6. Разработка устройств сопряжения мультиплексного канала обмена (MIL-STD-1553) / Д. Е. Гурьев, П. Ю. Демьянов, Н. Ю. Миронов,

B. А. Харин // Сборник трудов Первой Международной научно-практической конференции «Современные информационные технологии и ИТ-образование». - М. : Моск. гос. ун-т, 2006. -

C. 47-54.

7. Микроконтроллеры AVR : практикум для начинающих / В. Я. Хартов. - М. : Изд-во Моск. гос. технический ун-т им. Н. Э. Баумана, 2007. - 240 с.

8. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров / Болл Стюарт Р. - М. : Издательский дом «Додэка-XXI», 2007. - 360 с. : ил. - (Серия «Программируемые системы»).

2012/4

Proceedings of Petersburg Transport University