TECHNICKÉ ŘEŠENÍ SYSTÉMU MIKROPOČÍTAČOVÝCH REGULÁTORŮ
(text z roku 1994)
Od roku 1991 je na našich drahách v provozu mikroprocesorový systém pro automatické cílové brzdění a energetickou optimalizaci jízdy vlaku. Zpočátku byla systémem vybavena lokomotiva 163.034 LD Česká Třebová, v roce 1993 pak i elektrická příměstská jednotka ř. 470. Zatímco na lokomotivě 163.034 zařízení spolupracuje s analogovým regulátorem rychlosti, je jednotka 470 vybavena kompletní číslicovou regulací.
TECHNICKÉ ŘEŠENÍ REGULÁTORŮ
Sériově vyráběný regulátor rychlosti je převážně analogové zařízení, umístěné v jedné 19" dvojvaně ALMES. Logické obvody jsou SSI TTL a DTL. Vstupy jsou logické a frekvenční, výstupy logické, analogové a frekvenční. Komunikace se strojvedoucím je prostřednicvím analogových nebo kvazianalogových indikátorů, tlačítkové volby rychlosti a několika přepínačů. Protože se jedná o kusovou výrobu, je tento regulátor i poměrně drahý.
Pro elektrickou jednotku ř. 470 byl vyvinut číslicový regulátor rychlosti, který společně s centrálním řídicím členem vozidla tvoří jediný hardwarový celek - centrální regulátor vozidla (CRV). Tento je společně s galvanickými oddělovači umístěn v jedné 19" dvojvaně ALMES. Spolupracuje s modulem rozhraní, regulátorem cílového brzdění (RCB) a stanovišťovým terminálem (STAN).
Použitý systém
Pro realizaci řídicího systému byl použit mikroprocesorový systém MS 80, jehož výrobcem je MESIT Uherské Hradiště. Systém plně vyhovuje z hlediska výrobní technologie a rozměrů desek a je velice příznivý i v dalších ukazatelích, jako jsou cena, klimatická odolnost nebo nabízený sortiment. Použití systému pro řízení vlaku vyžadovalo doplnění nabízeného sortimentu komponentů pouze několika speciálními jednotkami, vyvinutými ve VÚŽ.
Protože systém MS 80 byl vyvinut pro použití v leteckém průmyslu, vyniká vysokou spolehlivostí i v náročných podmínkách. Podle sdělení výrobce je prováděna stoprocentní vstupní kontrola součástek, součástky jsou ještě před použitím podrobeny teplotní zkoušce (ohřátí na +125 °C, tepelné ustálení, přechod na -55 °C během 3 sekund, tepelné ustálení, a to celé třikrát) a po osazení desky je takto prozkoušena ještě celá osazená deska. Výrobce poskytuje na jednotky tříletou záruku a poskytuje i pozáruční servis.
Veškeré programové vybavení je psáno v jazyce symbolických adres příslušného procesoru. Toto zdánlivě náročné řešení (oproti použití vyššího programovacího jazyka) přináší mnoho výhod: programy jsou mnohonásobně kratší a několikrát rychlejší, obejdou se bez služeb operačního systému (další úspora paměti a času), není nutno dodržovat některá omezení např. ve formátu dat, lze využít veškerých schopností procesoru a periferních obvodů a v neposlední řadě veškeré chyby jsou pouze v programu, který lze opravit, a nikoliv v nepřístupném operačním systému, překladači a různých knihovnách.
Pro zajímavost lze uvést, že program pro obsluhu stanoviště má přibližně 4 kB, program centrálního regulátoru vozidla asi 6 kB a program regulátoru cílového brzdění a optimalizátoru 12 kB. Celý popis traťového úseku Praha - Kolín, v obou směrech a v obou kolejích (ekvivalentní popisu jednosměrné jednokolejné trati o délce 250 km), zabírá necelé 4 KB.
Kapacita paměti postačuje pro více než 60 000 km tratě. Veškerá data jsou uložena v pamětech EPROM, které lze v případě potřeby (např. změna grafikonu) smazat a zapsat do nich data nová. Vlastní zápis nových dat je otázkou několika minut. Paměti vydrží několik desítek programovacích cyklů.
ŘEŠENÍ NA JEDNOTCE 470
Modul rozhraní
Modul zajišťuje styk řídicího systému s řízeným objektem.
Obsahuje:
- jednotky se vstupními oddělovacími optočleny s převodem úrovně 48 V na úroveň TTL
- jednotky s výstupními oddělovacími členy s převodem TTL / 48 V (výkonové bezkontaktní spínače s elektronickou pojistkou)
- speciální jednotky pro vyhodnocení signálů ze snímačů tlaku a trakčního proudu včetně galvanického oddělení
- speciální jednotku pro galvanické oddělení signálů z čidel rychlosti
- reléový odpojovač, který zaručí definované galvanické odpojení výstupů řídicího systému od řídicích obvodů hnacího vozidla v režimu nouzové jízdy
Centrální regulátor vozidla
Na základě vstupních signálů přicházejících z modulu rozhraní a stanovišťového terminálu vytváří centrální regulátor signály pro řízení pohonu a pneumatické brzdy a případně i pro ovládání dveří a vlakového rozhlasu. Dále zajišťuje přes sériové linky komunikaci se všemi ostatními částmi systému.
Regulátor obsahuje:
- jednotku procesoru 8088 (vč. pamětí a některých periferií)
- jednotku přerušení a časovačů
- jednotku A/D převodníků
- jednotku sériového a paralelního styku
- jednotku paralelních vstupů a výstupů
- napájecí zdroj 24 V = / +-5 V a +-12 V
- přídavný zdroj +-15 V
- speciální jednotku s mikropočítačem 80C552 pro vyhodnocení signálů z čidel rychlosti
Předpokládá se, že součástí centrálního regulátoru by mohla být i deska protismyku, kterou by se nahradil stávající blok ZRA, a dále zařízení digitálního hlásiče stanic.
Regulátor cílového brzdění a optimalizátor jízdy
Tento regulátor řídí prostřednictvím centrálního regulátoru navádění vlaku do míst zastavení nebo do míst se sníženou rychlostí na základě:
- informace o poloze vlaku na trati
- informací o projížděném traťovém úseku, uložených v paměti modulu
- informací z návěstní soustavy
Informace o poloze vlaku se získávají prostřednictvím snímačů z informačních bodů umístěných na trati. Kromě upřesnění polohy vlaku slouží informační body též pro výběr dat z paměti.
Informace o návěstních pojmech se na kódované trati získávají dekódováním návěstních znaků přenesených na vozidlo prostřednictvím vlakového zabezpečovače (VZ) a na nekódovaných tratích obsluhou klávesnice návěstních znaků.
Regulátor obsahuje:
- jednotku procesoru 8088
- jednotky pamětí s údaji o tratích a vlacích
- jednotku sériového a paralelního styku
- jednotku s mikropočítačem řady 8048 (vyhodnocení informačních bodů a signálů z vlakového zabezpečovače)
- speciální jednotku styku se snímači informačních bodů s vlakovým zabezpečovačem (galvanické oddělení a testování)
- napájecí zdroj 24 V = / +-5 V a +-12 V.
Stanovišťový terminál
Terminál zajišťuje komunikaci mezi strojvedoucím a systémem pomocí dvou klávesnic, monitoru (zobrazovače) a bzučáku.
Tlačítková volba rychlosti je klávesnice sloužící pro zadávání informací o vlaku a pro volbu požadované rychlosti.
Klávesnicí návěstní se zadávají návěstní znaky při jízdě po nekódované trati, upřesňují se nejednoznačné kódy VZ a v případě potřeby se koriguje doba příjezdu do následující stanice (zastávky). V klávesnici je též zabudován reproduktorek bzučáku.
Monitor se využívá při inicializaci cílového brzdění pro zobrazování zadávaných informací o vlaku (strojvedoucí zadává informace dle pokynů z obrazovky) a při jízdě k zobrazování všech důležitých informací, jak je patrno z obrazové přílohy.
Bzučák funguje jednak jako akustická kontrola při zadávání údajů a jednak při závažnější změně situace (např. změna návěstního znaku, spuštění brzdění k pomalé jízdě nebo ztráta orientace).
V případě poruchy systému nebo ztráty orientace je strojvedoucí na tuto skutečnost důrazně upozorněn přemazáním poloviny obrazovky výstražným nápisem s výzvou k vypnutí systému a k převzetí brzdění. Pokud tak neučiní, vlak se uvede do bezpečného stavu (požadovaná rychlost se stahuje na nulu a vlak se zabrzdí).
Počítač obsahuje:
- jednotku procesoru Z80
- jednotku videa
- jednotku sériového a paralelního styku
- speciální jednotku rozhraní
- napájecí zdroj 24 V = / +-5 V a +-12 V
Napájení počítačů
Napájecí zdroje mikropočítačového systému jsou konstruovány pro napájecí napětí 24 V. Jelikož toto napětí není ve skříni elektroniky nebo v přední strojovně motorového vozu dostupné, bylo zvoleno napájení z předstabilizátoru centrálního napáječe. Výstupní napětí předstabilizátoru je 28 V, napájení je provedeno tak, že je k dispozici při činnosti kteréhokoliv z předstabilizátorů (diodový součet). Úbytek napětí na sčítací diodě a na kabelu z předstabilizátoru do skříně elektroniky je asi 2 volty, takže ve skříni elektroniky je napětí již v toleranci vstupního napětí zdrojů. Špičkově snesou zdroje napětí přes 30 voltů, takže ani při snížení odběru nehrozí poškození zdrojů.
Vzhledem k tomu, že centrální napáječ napájí pouze vlakový zabezpečovač, nehrozí ani přetížení předstabilizátoru. Předstabilizátor je i při plném odběru mikropočítačového systému zatížen na zhruba 25 %.
PŮVODNÍ ŘEŠENÍ NA LOKOMOTIVĚ 163.034
(pozn.: 1991 - 1996)
Centrální řídicí člen a regulátor rychlosti
Tyto regulátory jsou použity původní (z analogových a logických součástek). Regulátor rychlosti je pouze mírně upraven, přibyla jednotka pro styk s regulátorem cílového brzdění a jednotka derivací byla rekonstruována, aby lépe plnila požadovanou funkci. Regulátor rychlosti je ovšem třeba udržovat dobře seřízený, to se týká hlavně jednotek pro ovládání brzdiče (délka brzdicích a odbrzďovacích pulsů).
Regulátor cílového brzdění a optimalizátor jízdy
Činnost zařízení je stejná jako u jednotky ř. 470 a regulátor obsahuje v podstatě stejné jednotky. Přibývá jednotka D/A a A/D převodníků pro styk s analogovým regulátorem rychlosti a jednotka paralelní komunikace, zajišťující styk s mikropočítačem pro čtení informačních bodů.
Terminál na stanovišti
Terminál na stanovišti byl řešen v té době dostupnými prostředky, tzn. procesorem 8080. Jednotka procesoru Z80 ještě nebyla v nabídce a.s. MESIT.
Počítač obsahuje:
- jednotku procesoru 8080 (obsahuje i sériovou linku)
- jednotku pamětí EPROM/RWM
- jednotku A/D převodníků
- jednotku grafického videa
- jednotku přerušení a časovačů
- speciální jednotku rozhraní
- napájecí zdroj 24 V= / +-5 V a +-12 V
- přídavný zdroj +-15 V
Napájení počítačů
Na lokomotivě 163.034 bylo napájení počítačů řešeno poněkud jinak. Systém je napájen přes regulátor rychlosti napětím 115 V / 400 Hz. Toto napětí je transformováno na hodnotu asi 26 V a usměrněno. Usměrněným napětím jsou přes reléovou logiku postupného zapínání a vypínání již napájeny zdroje jednotlivých počítačů. Transformátory 115/26 V též zajišťují galvanické oddělení systému od ostatních obvodů lokomotivy.
PERIFERNÍ ZAŘÍZENÍ (470 i 163.034)
Styk s LVZ
Systém přebírá z vlakového zabezpečovače informace o návěstním znaku nejbližšího návěstidla. Je připraven též doplňkový přenos, který zvýší počet přenášených znaků a upřesní víceznačné kódy opakovače. Napojení na obvody zabezpečovače je provedeno indukčně, tudíž není možné zpětné ovlivňování činnosti zabezpečovače ani při poruchových stavech.
Protože systém přesně zná polohu vlaku na trati a má v paměti informace o tom, ve kterých úsecích kódování je a ve kterých není, automaticky ignoruje kódy v nekódovaných úsecích, neboť tyto kódy musí být falešné. Takto je možno vyloučit i např. přejezdové úseky, ve kterých se často místo platného kódu objevuje kód falešný.
Systém je necitlivý na krátkodobé změny kódů (do 5 sekund) a nevadí mu ani opožděný náběh kódu, např. až v polovině úseku. Strojvedoucí má možnost víceznačné kódy upřesnit. Pokud to neučiní, bere se nejzávažnější význam daného kódu (např. pro žlutý kód se uvažuje VÝSTRAHA, ale strojvedoucí může upřesnit např. na OČEKÁVEJ 80).
Styk se snímači informačních bodů
Informační body jsou tvořeny permanentními magnety umístěnými mezi kolejnicemi na speciálních držácích. Pod rámem lokomotivy v prostoru mezi podvozky či za prvním podvozkem motorového vozu jsou umístěny snímače, reagující na magnetické pole těchto magnetů. Snímače jsou konstruovány tak, že dokáží rozeznat polaritu magnetického pole a jsou necitlivé na rušivé pole způsobené zpětným proudem v kolejnicích. Snímače jsou ve výšce přibližně 200 mm nad temenem kolejnice. Jejich umístění je dostatečnou zárukou proti poškození předměty ležícími na trati a též nepřekážejí při údržbě v depu.
Styk s těmito snímači je pomocí karty s galvanickými oddělovači a karty s jednočipovým počítačem (8048). Tyto karty zajišťují kromě vlastního čtení i samočinnou diagnostiku snímačů a ve spojení s přenosnou jednotkou umožňují i simulaci informačních bodů či rozsáhlejší testování činnosti. S pomocí přenosné jednotky je možno i při stojícím vozidle plně simulovat činnost systému.
Monitor na stanovišti strojvedoucího
Obrazovkový monitor je typu AZJ 462, s obrazovkou o úhlopříčce 31 cm. Monitory jsou ve dvojím provedení - s běžným (šedým) a se zeleným luminoforem. Jeden šedý monitor je opatřen filtrem z kouřového plexiskla (originální filtr z počítače TNS), další je vybaven ochranným plexisklem zelené barvy, jeden zelený monitor je se síťkovým filtrem a druhý pouze s ochranným bezbarvým plexisklem. Jako nejlepší řešení se jeví použití kouřového plexiskla, síťkový filtr omezuje pozorovací úhel (což ale strojvedoucímu nevadí). Zelené a bezbarvé plexisklo jsou jako filtry nevhodné, slouží spíše jako mechanická ochrana proti poškození obrazovky.
Strojvedoucí má možnost si nastavit jas, kontrast se nenastavuje (monitory pracují v logickém režimu, pozadí je vždy absolutně temné a svítící bod svítí nastaveným jasem).
Na lokomotivě 163.034 se monitory napájejí ze stanovišťového počítače, monitory na motorových vozech 470 jsou upraveny, napájejí se napětím 26 V (společně s napájecími zdroji počítačů) a potřebná napětí (12 V / 1.3 A, 5 V / 100 mA) se vytvářejí v individuálním měniči přímo v monitoru.
Pro jednotku 470.003 - 004 jsou připraveny japonské barevné monitory MITSUBISHI C 3470 s nízkým vyzařováním. Tyto monitory jsou upraveny pro napájení napětím 115 V / 400 Hz z centrálního napáječe.
Návěstní klávesnice
Na lokomotivě 163.034 je návěstní klávesnice umístěna vpravo na sloupku mezi bočním okénkem a dveřmi. Jako spínací prvky jsou použita tlačítka ELEKTROPŘÍSTROJ typu T6 a tlačítka ISOSTAT. Tlačítka T6 se neosvědčila, napájecí napětí 5 V je příliš nízké na proražení zoxidované vrstvy na kontaktech spínací jednotky. Jako možné řešení se jeví použití spínacích jednotek s mikrospínačem. Tlačítka ISOSTAT pracují bez problémů, jejich nevýhodou je ale nemožnost jejich prosvícení.
Použití tlačítek TS 416 (vozy ř. 470) odstranilo nevýhody obou předchozích typů. Klávesnice je umístěna přímo v pultu strojvedoucího mezi tlačítky bdělosti. U vozů 470.001 a 002 jsou tlačítka prosvětlována žárovkami, pro vozy 470.003 a 004 byla tlačítka upravena na použití LED. Prosvětlování je použito v noci pro orientaci strojvedoucího a dále jsou některá tlačítka prosvěcována při určitém provozním stavu.
ZÁVĚR
Zkušenosti s lokomotivou 163.034 i s motorovými vozy ř. 470 ukazují, že zvolené řešení je po všech stránkách vyhovující. Spolehlivost celého systému je dobrá, jediným místem s vyšší poruchovostí jsou traťové magnety. Pokud ovšem budou všechny magnety chráněny gumovými monobloky nebo podélnými pražci, budou i ony zcela bez problémů.
Na lokomotivě 163.034 byly nejčastějším místem poruchy napájecí zdroje, resp. jejich filtrační kondenzátory. Poté, co byly filtrační kondenzátory polské výroby ve všech zdrojích nahrazeny kondenzátory západními, problémy se zdroji zmizely.
Jediná porucha na motorových vozech byl vadný zdroj. Dlužno ovšem podotknouti, že na rozdíl od každodenního nasazení lokomotivy 163.034 je jednotka 470.001 - 002 poměrně často mimo službu (stav v r. 1994, v současnosti je spolehlivost jednotky již v mezích normálu). Není to ovšem vinou mikroprocesorového řídicího systému.