Układ sterujący drzwiami tramwaju

Transkrypt

1 Układ sterujący drzwiami tramwaju Swobodnie bazujący na algorytmie otwierania i zamykania drzwi znanym z wagonów Konstal 105Na Wykonali: Kamil Wajda kl. 2m Marcin Wawrzeń kl. 2m Opiekun: dr Ryszard Mielnik

2 1. Geneza pomysłu Pomysł narodził się mniej więcej na początku drugiej klasy i pierwotnie miał być skończony na Małopolski Konkurs Własnych Prac Technicznych, który odbył się 13 marca Niestety bardzo szybko okazało się, że nie posiadamy jeszcze wystarczającej wiedzy do jego zrealizowania. Wielokrotnie zmieniały się również koncepcje na czym ten układ miałby być oparty. Pierwsza koncepcja zakładała zbudowanie układu opartego na przekaźnikach, lecz została nam odradzona ze względu na koszty, niemożność modyfikacji czy też po prostu przestarzałość. W ramach zajęć Procesów Projektowania Urządzeń i Systemów Mechatronicznych z panem prof. Mielnikiem nauczyliśmy się podstaw obsługi mikrokontrolera DSM-51 i już po kilku lekcjach naszej dwójce udało się zaprogramować program sterujący sygnalizacją świetlną (dodatkowy układ komunikujący się z DSM-51 przez wbudowany w niego układ wejść/wyjść cyfrowych 8255). Wtedy powstał pomysł, by układ sterujący drzwiami kontrolować właśnie przy pomocy mikrokontrolera DSM-51. Był to pierwszy krok w przechodzeniu z fazy projektowania do fazy realizacji konieczne było wykonanie układu pośredniczącego, który zamieniłby cyfrowy sygnał zerojedynkowy układu 8255 na rzeczywiste załączenie silnika czy zapalenie diody. Wówczas należało zdecydować ile linii wejść i wyjść będzie potrzebował nasz układ do sprawnego działania. Budowa układu pośredniczącego poszła bez większych problemów. Problemy zaczęły się dopiero z.. podłączeniem go do mikrokontrolera DSM- 51. Wszystko przez źle wlutowane gniazdo, które dopiero za trzecim razem udało się wlutować w odpowiednim położeniu, umożlwiającym komunikację z DSM-51. Po zmarnowaniu trzech tygodni na ustalanie właściwego położenia gniazda udało się nam w końcu zasterować silnikiem przy użyciu mikrokontrolera. Niestety bardzo szybko okazało się, że nasza znajomość Assemblera jest zbyt mała by od zera napisać kod sterujący właściwą pracą drzwi. Dodatkowym argumentem przeciw stała się żmudność wpisywania kolejnych linijek kodu w mikrokontrolerze, którego na dodatek nie można zapisać i co zajęcia należałoby go wklepywać od nowa.

3 Mniej więcej wtedy na zajęciach weszliśmy w dział poświęcony programowi komputerowemu LabView, który umożliwia niezliczoną liczbę operacji na sygnałach zarówno cyfrowych jak i analogowych, a dzięki karcie rozszerzeń i terminalowi pośredniczącemu BNC-2120 można przy pomocy tego programu sterować rzeczywistymi układami używając do tego celu wejść i wyjść cyfrowych oraz analogowych. Nas oczywiście zainteresowały te pierwsze. Rys.1. Terminal pośredniczący BNC-2120 Dopiero w LabView udało nam się stworzyć układ realizujący pożądany algorytm sterowania drzwiami oparty na bramkach logicznych (w tym przerzutnikach RS).

4 2. Budowa układu pośredniczącego Wejścia: - IN PD przycisk drzwiowy. Przełącznik monostabilny (czyli chwilowy) NO pełniący rolę przycisku normalnie znajdującego się przy drzwiach tramwaju i dostępnego dla pasażerów. Tym przyciskiem pasażer zgłasza wolę otwarcia drzwi. - IN MOT przełącznik motorniczego. Przełącznik bistabilny pełniący rolę przełącznika umiejscowionego na pulpicie sterowniczym w kabinie motorniczego. Przełącznik ten pełni dwie role: ma odblokowywać przycisk drzwiowy umożliwiać otwarcie drzwi na przystanku i uniemożliwiać ich otwarcie w czasie jazdy oraz ma zamykać drzwi po skończonej wymianie pasażerskiej (analogia do 105Na) - SEN OTW czujnik otwarcia drzwi. Docelowo ma on zostać zrealizowany jako dwa kontaktrony połączone szeregowo (po jedynym na każde skrzydło drzwiowe) umieszczone w ramie drzwiowej, zaś wzbudzające je magnesy trwałe zostaną przymocowane bezpośrednio do skrzydeł drzwiowych. - SEN ZAM czujnik zamknięcia drzwi. Docelowo mają mieć one działanie analogiczne do czujników otwarcia, tyle że mają sygnalizować zamknięcie drzwi. Rys. 2. Linie wejściowe. Tymczasowe przełączniki na SEN OTW oraz SEN ZAM docelowo zostaną zastąpione przez kontaktrony

5 Rys. 3. Planowane rozmieszczenie czujników otwarcia i zamknięcia w modelu docelowym. Opis na przykładzie wagonu 105Na. Wyjścia: - SIL L/P przełączanie obrotów silnika przy pomocy przekaźnika dwutorowego przełącznego (DPDT) - SIL ON/OFF włączanie/wyłączanie silnika przy pomocy przekaźnika jednotorowego stycznego normalnie otwartego (SPST NO) - POD PD podświetlenie przycisku drzwiowego - POD MOT* podświetlenie przełącznika motorniczego - OŚW* oświetlenie drzwi * dopiero w trakcie realizacji algorytmu okazało się że zarówno POD MOT jak i OŚW mają do spełnienia dokładnie tą samą funkcję mają świecić gdy drzwi są otwarte i gasnąć wraz z ich zamknięciem. W praktyce więc wystarczyłaby jedna linia wyjściowa zamiast dwóch

6 Rys. 4. Układ pośredniczący w całej okazałości. Opis poniżej. 1. Dodatkowa magistrala wejść i wyjść cyfrowych. Dodana na potrzeby komunikacji z komputerem przez program LabView. 2. Magistrala wejść i wyjść cyfrowych umożliwiająca połączenie z mikrokontrolerem DSM-51 Port A (wyjście) Port B (wejście) PA0 SIL L/P PB0 IN PD PA1 SIL ON/OFF PB1 IN MOT PA2 POD PD PB2 SEN OTW PA3 POD MOT PB3 SEN ZAM PA4 OŚW - 3. Układ ULN2803 wzmacniający sygnał cyfrowy. Kanały typu otwarty kolektor (max 50V/0.5A) UWAGA: Kanały wyjściowe podciągane do +12V!

7 4. Przekaźniki bezpośrednio sterujące silnikiem wraz z diodami zabezpieczającymi oraz diodami LED wskazującymi aktualne położenie danego przekaźnika 5. Dwa kondensatory połączone równolegle do masy stabilizujące napięcie zasilające układu ULN2803 (+12V DC) 6. Układ przetwarzania sygnału wejściowego z podciąganiem do 5V Napięcie przyłożone na wejście Napięcie na wyjściu Brak +5 V 0V (masa) 3,8 V 4,3 V 0,45 V Generalnie wejścia pracują tak, że normalnie wysyłają stan logiczny 1, zaś po zwarciu do masy (np. przez wciśnięcie przycisku) wysyłają stan logiczny Układ 7805 wraz z kondensatorami przetwarzający napięcie zasilające (+12V) na +5V i jednocześnie je stabilizujący 8. Magistrala przyłączeniowa dla silnika, przycisków itd. oraz wejście zasilające cały układ. Styki kolejno od prawej: - zasilanie +12V - masa - SILNIK - SILNIK - wyjście +5V (obecnie niewykorzystywane) - wyjście POD PD - wyjście POD MOT - wyjście OŚW - wejście IN PD - wejście IN MOT - wejście SEN OTW - wejście SEN ZAM

8 3. Algorytm działania układu Krok Wejścia* Wyjścia Opis 1. IN PD = 0 IN MOT = 0 SEN ZAM = 1 SIL L/P = 0 SIL ON/OFF = 0 POD PD = 0 POD MOT = 0 OŚW = 0 Tramwaj jest w ruchu drzwi są zamknięte. Drzwi posiadają dodatkowe zabezpieczenie jeśli ktoś będzie próbował je ręcznie otworzyć (wybije SEN ZAM ze stanu 1 ) przekazany zostanie sygnał 1 na SIL ON/OFF powodujący uruchomienie silnika, który będzie domykał drzwi dopóki SEN ZAM nie powróci do stanu IN PD = na chwilę 1, potem 0 IN MOT = 0 SEN ZAM = 1 SIL L/P = 0 SIL ON/OFF = 0 POD PD = 1 POD MOT = 0 OŚW = 0 Pasażer podchodzi do drzwi i wciska przycisk informując motorniczego o woli opuszczenia pojazdu na najbliższym przystanku. Chwilowy sygnał 1 pochodzący z IN PD zostaje zapamiętany przez przerzutnik RS, co sygnalizuje zapalenie się podświetlenia POD PD. 3a. IN PD = 0 IN MOT = 1 SEN ZAM = 1 3b. IN PD = 0 IN MOT = 1 SEN ZAM = 0 3c. IN PD = 0 IN MOT = 1 SEN OTW = 1 SEN ZAM = 0 SIL L/P = 1 SIL ON/OFF = 1 POD PD = 1 POD MOT = 0 OŚW = 0 SIL L/P = 1 SIL ON/OFF = 1 POD PD = 1 POD MOT = 0 OŚW = 0 SIL L/P = 1 SIL ON/OFF = 0 POD PD = 1 POD MOT = 1 OŚW = 1 Tramwaj zatrzymuje się na przystanku. Motorniczy przełącza IN MOT w stan 1 jednoczenie przestawiając obroty silnika na otwierające (SIL L/P = 1). Jeśli uprzednio został wciśnięty IN PD (krok 2) to rozpoczyna się procedura otwierania: - silnik włącza się (SIL ON/OFF = 1) - drzwi wychodzą z pozycji zamknięcia (SEN ZAM = 0) - drzwi docierają do pozycji otwarcia (SEN OTW = 1) - silnik ulega wyłączeniu (SIL ON/OFF = 0) - zapala się oświetlenie drzwi OŚW oraz podświetlenie przełącznika motorniczego POD MOT Podobnie jak w kroku 1. drzwi w pozycji otwartej mają zabezpieczenie przez wymuszonym zamknięciem jeśli SEN OTW zostanie wybity ze stanu 1 włączy się silnik (SIL ON/OFF = 1) i będzie otwierał drzwi dopóki SEN OTW nie powróci do stanu 1. Układ przygotowany jest również na taką ewentualność, że podczas jazdy nikt nie wciśnie przycisku przy drzwiach (IN PD cały czas

9 4. IN PD = 0 IN MOT = 1 SEN OTW = 1 SEN ZAM = 0 4a. IN PD = 0 IN MOT = 1 SEN ZAM = 1 5a. IN PD = 0 IN MOT = 0 SEN OTW = 1 SEN ZAM = 0 5b. IN PD = 0 IN MOT = 0 SEN ZAM = 0 5c. IN PD = 0 IN MOT = 0 SEN ZAM = 1 SIL L/P = 1 SIL ON/OFF = 0 POD PD = 1 POD MOT = 1 OŚW = 1 SIL L/P = 1 SIL ON/OFF = 0 POD PD = 1 POD MOT = 0 OŚW = 0 SIL L/P = 0 SIL ON/OFF = 1 POD PD = 0 POD MOT = 1 OŚW = 1 SIL L/P = 0 SIL ON/OFF = 1 POD PD = 0 POD MOT = 1 OŚW = 1 SIL L/P = 0 SIL ON/OFF = 0 POD PD = 0 POD MOT = 0 OŚW = 0 = 0). Wówczas po dojechaniu do przystanku i przełączeniu przez motorniczego przełącznika IN MOT w pozycję 1 nie następuje samoczynne otwarcie dopóty, dopóki nie zostanie wciśnięty przycisk IN PD (na chwilę). Pasażerowie zostają poinformowani o odblokowaniu przez motorniczego drzwi poprzez podświetlenie przycisku drzwiowego (POD PD = 1) Tramwaj stoi na przystanku z otwartymi drzwiami (wykonane zostają kroki 2. i 3.) Tramwaj stoi na przystanku z zamkniętymi drzwiami, ponieważ nikt nie wcisnął przycisku IN PD (nie został wykonany krok 2. a więc i 3.). Gdy przycisk IN PD zostanie wciśnięty układ przeskoczy do realizacji kroku 3., jeśli zaś nie zostanie wciśnięty algorytm zapętli się i wróci do kroku 1. Tramwaj przygotowuje się do ruszenia z przystanku. Motorniczy przełącza IN MOT w stan 0 jednoczenie przestawiając obroty silnika na zamykające (SIL L/P = 0). Rozpoczyna się procedura zamykania: - przerzutnik RS pamiętający wciśnięcie IN PD resetuje się (gaśnie POD PD) - silnik włącza się (SIL ON/OFF = 1) - drzwi wychodzą z pozycji otwarcia (SEN OTW = 0) - drzwi docierają do pozycji zamknięcia (SEN ZAM = 1) - silnik ulega wyłączeniu (SIL ON/OFF = 0) - gaśnie oświetlenie drzwi OŚW oraz podświetlenie przełącznika motorniczego POD MOT Po zakończeniu kroku 5c. algorytm zapętla się i wraca do kroku 1. *wszystkie wejścia są co prawda zanegowane, lecz dla łatwiejszej pracy w programie LabView dla każdego wejścia została zaznaczona opcja Invert Line czyli negacja negacji

10 4. Realizacja algorytmu na bramkach logicznych a. symulacja w programie Electronics Workbench

11 b. ten sam układ zbudowany w programie LabView

12 5. Przyszłość projektu Program LabView wraz z terminalem BNC-2120 to z całą pewnością bardzo pomocny sprzęt, nieoceniony w kształceniu na tego typu układach. Niestety jest on szalenie niepraktyczny nie zabudujemy przecież komputera wraz z terminalem w szafie drzwiowej Raz że wyszłoby to stanowczo za drogo, dwa zwyczajnie nie zmieściłoby się. Dlatego naszym zadaniem na najbliższy czas jest zbudowanie układu z punku 4. na rzeczywistych bramkach logicznych, produkowanych jako układy scalone. Podjęliśmy już pewne kroki w celu skompletowania odpowiednich scalaków lecz praktyka pokazuje że wcale nie są one tak powszechnie dostępne jak by się mogło wydawać, ponieważ w dobie miniaturyzacji mało kto stosuje pojedyncze bramki.. Czeka nas też najtrudniejsze przedsięwzięcie w całym tym projekcie skonstruowanie modelu drzwi, którym by nasz układ sterował wraz z odpowiednią przekładnią mechaniczną zamieniającą ruch obrotowy silnika na ruch otwierający lub zamykający drzwi