Symulator pulpitu maszynisty

Transkrypt

1 CISZEWSKI Tomasz 1 NOWAKOWSKI Waldemar 2 WOJCIECHOWSKI Jerzy 3 Symulator pulpitu maszynisty WSTĘP Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu wspólnie z partnerem firmą MEDCOM Sp. z o.o. zrealizował projekt pt. Organizacja i wyposażenie laboratorium systemów sterowania pojazdów szynowych współpracujących z fotowoltaicznym układem zasilania dla Ukraińskiej Akademii Transportu Kolejowego w Charkowie. Projekt był współfinansowany w ramach programu polskiej współpracy rozwojowej przez Ministerstwo Spraw Zagranicznych RP. W wyniku realizacji projektu przekazano Laboratorium Systemów Sterowania i Diagnostyki Pojazdów Szynowych Akademii w Charkowie nowoczesny symulator pulpitu maszynisty. Konstrukcja symulatora była inspirowana najnowszymi modernizacjami popularnego polskiego elektrycznego zespołu trakcyjnego EN57 wyposażonego w system sterowania i diagnostyki TCMS (ang. Train Control and Monitoring System) produkcji firmy MEDCOM. System TCMS zapewnia kompleksową i niezawodna obsługę nadzorowanej jednostki umożliwiając m.in. [1, 4]: sterowanie systemem napędowym, niwelowanie poślizgu przy rozruchu i hamowaniu elektrodynamicznym, stabilizację prędkości jazdy, współdziałanie hamulca elektrodynamicznego i pneumatycznego, rejestrowanie parametrów jazdy, sterowanie systemem sprężonego powietrza, sterowanie wyłącznikiem szybkim. Jednocześnie System TCMS dostarcza maszyniście niezbędnych informacji kontrolnodiagnostycznych [1, 4]: monitorowanie stanu systemu napędowego, monitorowanie stanu systemu hamulcowego, diagnostyka pracy przetwornicy głównej, monitorowanie stanu wyłącznika szybkiego, odbieraków prądu, drzwi, windy, wizualizacja i rejestracja napiec, prądów, sił, temperatur i innych parametrów, monitorowanie stanu przełączników manualnych i głównych styczników układu zasilania, monitorowanie stanu wyłączników nadmiarowych. 1. GŁÓWNE ELEMENTY SYMULATORA Symulator pulpitu maszynisty wykorzystuje technologię MAS szwajcarskiej firmy Selectron, która jest bardzo wydajną platformą do zastosowań w przemyśle kolejowym [2].Selectron specjalizuje się w produkcji systemów automatyki przemysłowej, w tym sterowników programowalnych PLC. Cechą charakterystyczną rozwiązań firmy Selectron jest implementacja w produktach otwartych protokołów komunikacyjnych takich jak: Ethernet, CAN, MVB, WTB, RS485. Moduły platformy MAS spełniają wysokie wymagania norm EN i EN Gwarantowany poziom nienaruszalności bezpieczeństwa SIL (SafetyIntegrity Level) dla sprzętu wynosi 2. Przykładowy obszar zastosowania technologii MAS przedstawiono na rysunku 1. 1 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Transportu i Elektrotechniki; Radom; ul. Malczewskiego 29. Tel: , Fax: , t.ciszewski@uthrad.pl 2 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Transportu i Elektrotechniki; Radom; ul. Malczewskiego 29. Tel: , Fax: , w.nowakowski@uthrad.pl 3 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Transportu i Elektrotechniki; Radom; ul. Malczewskiego 29. Tel: , Fax: , j.wojciechowski@uthrad.pl 2819

2 Rys. 1. Przykładowy obszar zastosowania platformy MAS w pojeździe[2] Do budowy symulatora pulpitu maszynisty wykorzystano następujące elementy platformy MAS: Jednostka sterująca CPU831-TG (64 MB RAM, 64 MB flash EEPROM, 128 kb NVRAM, 1x złącze serwisowe, pamięć 1x 128 MB, SD card (do maks. 2 GB), 1x Ethernet (M12), 1x USB (USB-COM), 2x CAN, 1x RS port (RS-232 / RS-422 / RS-485), US 24/36 V DC), Moduły rozszerzenia AAT732-TG/16B (4 wejścia analogowe/ 4 wyjścia analogowe, 16 Bit ze znakiem, US 24/36 V DC), Moduły rozszerzenia DDT 732-TG/05A (16 wejść cyfrowych / 16 wyjść cyfrowych, 0.5 A, US 24/36 V DC), Moduły rozszerzenia DIT732-TG (32 wejścia cyfrowe, US V DC). Rys. 2. Widok symulatora pulpitu maszynisty 2820

3 Na pulpicie umieszczony został także terminal diagnostyczny HMI (Deuta-Werke), który ma własny wbudowany komputer sterujący- niezależny od sterownika głównego firmy Selectron. Sterownik główny i ekran diagnostyczny komunikują się za pomocą magistrali CAN (ControllerAreaNetwork) zgodnie z protokołem CANOpen. W ramach działań laboratoryjnych prowadzonych z wykorzystaniem symulatora w przyszłości można będzie do zastosowanej magistrali (CAN) dołączyć nowe urządzenia, w tym projektowane przez studentów, a zastosowana platforma sprzętowo-programowa może również posłużyć do sprawdzenia ich zgodności z różnymi protokołami CAN, przykładowo j1939 czy CANOpen. Dodatkowo na pulpicie umieszczone zostały nastawniki jazdyi hamowania, a także zestaw przełączników i wskaźników analogowych. Ponieważ symulator pulpitu maszynisty jest uproszczoną wersją systemu TCMS niektóre elementy, takie jak układ pneumatyczny czy instalacja wysokonapięciowa, zostały zastąpione prostymi układami elektrycznymi lub zasymulowane programowo odpowiednimi procedurami w oprogramowaniu sterownika głównego. Przykładowo, takie czynności jak załączenie sprężarki pomocniczej, podniesienie pantografów, czy włączenie wyłącznika szybkiego symulowane jest przez odpowiednio połączone przekaźniki. Pozwala to na sprawdzenie poprawności zaprojektowanych w programie zależności. Nastawnik hamulca, który w prawdziwym pociągu jest elementem sterującym układem pneumatycznym, zastąpiony został nastawnikiem przekształcającym wychylenie na sygnał prądowy z zakresu 4 20mA. Manometry zastąpiono wskaźnikami wskazówkowymi sterowanymi napięciowo przez sterownik główny. Symulacja prawidłowej pracy systemu hamulcowego realizowana jest w całości w programie sterownika głównego. 2. ŚRODOWISKO PROGRAMISTYCZNE SYMULATORA Symulator wykorzystuje środowisko programistyczne Selectron CAP1131, które służy do tworzenia oprogramowania w platformie MES [3]. Środowisko CAP1131 pozwala na wykorzystanie wszystkich języków programowania sterowników PLC zdefiniowanych w normie IEC : 1. Graficznych: Schemat Drabinkowy LD (ang. Ladder diagram), Schemat Bloków Funkcyjnych FBD (ang. Function Block Diagram), Sekwencyjna Karta Funkcji SFC (ang. Sequential Function Chart), 2. Tekstowych: Tekst Strukturalny ST (ang. Structured Text), Lista Instrukcji IL (ang. Instruction List). Rys. 3. Przykładowy ekran środowiska CAP1131 [3] 2821

4 Z ich pomocą użytkownik symulatora dysponuje możliwością programowania niemal wszystkich elementów symulatora pulpitu maszynisty, co umożliwia zapoznanie studentów z podstawami programowania systemów klasy TCMS (ang. Train Control and Monitoring System), a także w dalszej fazie naukę tworzenia algorytmów sterowania pojazdami trakcyjnymi i weryfikację ich poprawnego działania. Program zainstalowany na terminalu został przekazany uczelni w Charkowie w formie skompilowanej wraz z dokumentacją protokołu komunikacyjnego. Będzie stanowił materiał źródłowy, który umożliwi tworzenie przez studentów wizualizacji i programów diagnostycznych dla symulatora w ramach bardziej zaawansowanych projektów niż ćwiczenia laboratoryjne. Program sterownika głównego został natomiast przekazany wraz ze źródłami, co pozwala na jego analizę i modyfikację w środowisku CAP1131. Przykładowy ekran programu CAP1131 przedstawiono na rysunku OPROGRAMOWANIE SYMULATORA Oprogramowanie zostało podzielone na trzy części: 1. Pierwszą z nich jest symulacja programowa układów, których nie udało się odtworzyć za pomocą zespołu przekaźników. Zawiera ona uzależnienia pracy układu pneumatycznego oraz ruchu pojazdu - steruje wskazaniami zegarów manometrów i prędkościomierza. Część tą można nazwać częścią symulacyjną. 2. Kolejna część odpowiada za komunikację z terminalem diagnostycznym (rysunek 4) i monitorowanie poprawnej pracy układu wejść/wyjść dyskretnych i analogowych. Ta część oprogramowania określana jest jako komunikacyjna. 3. Ostatnia część oprogramowania, nazywana sterującą, jest najistotniejsza do celów dydaktycznych. Obejmuje ona sterowanie układami na symulowanym pojeździe. Zawiera m.in. procedury poprawnego uruchamiania pojazdu, podnoszenia pantografów, czy załączania wyłącznika szybkiego. W tej części znajdują się także procedury sterownia i monitorowania poprawnej pracy urządzeń i parametrów ich pracy, jak na przykład właściwego ciśnienia w przewodach hamulcowych, napięcia trakcji czyli parametrów wypracowanych w części symulacyjnej. Rys. 4. Przykładowy ekran panelu sterowania Przykładowy program sterujący pojazdem ma służyć jako punkt wyjścia dla tworzenia własnych aplikacji. Nie zaimplementowano też kompletnego zestawu wariantów sterowania w TCMS. Stworzenie brakujących funkcji i zmiana istniejących będzie stanowiła przedmiot nauki dla studentów w ramach ćwiczeń laboratoryjnych. 2822

5 WNIOSKI Symulator pulpitu maszynisty, który został opracowany przez UTH w Radomiu i firmę MEDCOM, jest bardzo nowoczesnym urządzeniem. Jego projekt obejmował nie tylko praktyczną konstrukcję obwodów elektrycznych symulowanego systemu TCMS, ale także programową i sprzętową symulację wybranych systemów i magistral pociągu oraz przygotowanie oprogramowania sterującego. Głównym celem przyjętym w projekcie było skonstruowanie symulatora, który umożliwi prowadzenie zajęć dydaktycznych dla studentów Ukraińskiej Akademii Transportu Kolejowego w Charkowie. Tematyka tych zajęć może być bardzo różnorodna, co wynika z konstrukcji symulatora. Umożliwia on m.in. prowadzenie procesu dydaktycznego z takich zagadnień jak: budowa i zasada działania systemów sterowania i diagnostyki pojazdów szynowych, obsługa pulpitu maszynisty elektrycznego zespołu trakcyjnego. nauka programowania specjalizowanych sterowników PLC (Selectron). Symulator pulpitu maszynisty może być również wykorzystywany do prowadzenia prac badawczych dotyczących nowych metod sterowania elektrycznym zespołem trakcyjnym, a tym samym przyczynić się do rozwoju kadry naukowej akademii w Charkowie. Streszczenie Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu wraz z partnerem firmą MEDCOM Sp. z o.o. z siedzibą w Warszawie zrealizował projekt pt. Organizacja i wyposażenie laboratorium systemów sterowania pojazdów szynowych współpracujących z fotowoltaicznym układem zasilania dla Ukraińskiej Akademii Transportu Kolejowego w Charkowie. Projekt jest współfinansowany w ramach programu polskiej współpracy rozwojowej przez Ministerstwo Spraw Zagranicznych RP. W projekcie przewidziano wyposażenie laboratorium systemów sterowania i diagnostyki pojazdów szynowych w nowoczesny symulator pulpitu maszynisty. Projekt symulatora obejmował nie tylko praktyczną konstrukcję obwodów elektrycznych systemu TCMS, ale także programową i sprzętową symulację wybranych systemów i magistral pociągu oraz przygotowanie oprogramowania sterującego. Powstałe w rezultacie urządzenie pozwala na kształcenie studentów w zakresie poznawania budowy i zasady działania systemów sterowania i diagnostyki pojazdów szynowych, obsługi pulpitu maszynisty elektrycznego zespołu trakcyjnego oraz nauki programowania specjalizowanych sterowników PLC. Słowa kluczowe: Train Control and Monitoring System (TCMS), symulator systemu TCMS, pojazdy szynowe, energooszczędność, programowanie sterowników PLC, Train driver desk simulator Abstract Kazimierz Pulaski University of Technology and Humanities in Radom in cooperation with MEDCOM Ltd, Warsaw, carried out a project "Organizing and equipping the laboratory of TCMS (train control and monitoring system) of railway vehicles cooperating with photovoltaic power supply" for the Ukrainian Academy of Railway Transport in Kharkov. The project was co-financed by the Ministry of Foreign Affairs of the Republic of Poland within the development cooperation programme. The project goals were to create and equip a rolling stock diagnostic control systems laboratory with the most updated training simulator. The project of the simulator included not only practical design of electrical circuits, but also software and hardware simulation of selected train systems and buses as well as arrangement of the control software. In effect, newly established device give the opportunity to educate students in the field of construction and operation of control systems and diagnostics of rail vehicles and specialized learning PLC programming. Keywords: Train Control and Monitoring System (TCMS), TCMS simulator, rail vehicle, power efficiency, PLC software development, BIBLIOGRAFIA 1. Zmodernizowany elektryczny zespół trakcyjny EN57 AKM z napędem asynchronicznym produkcji MEDCOM -materiały promocyjne firmy MEDCOM 2. System manual Selectron MAS 73x/83x Hardware 2823

6 3. System manualselectron MAS Software 4. Biliński J., Buta S., Gmurczyk E., Kaska J.: Nowoczesny asynchroniczny napęd z hamowaniem odzyskowym produkcji MEDCOM do zmodernizowanych elektrycznych zespołów trakcyjnych serii EN57AKŁ, TTS Nr 4/ Łukasik Z., Nowakowski W., Ciszewski T.: Train Control And Monitoring System Simulator, Indian Journal Of Applied Research (IJAR), Volume 4, Issue 12, December 2014, ISSN X 6. Łukasik Z., Nowakowski W., Wojciechowski J.: Wyposażenie laboratorium systemów sterowania i diagnostyki pojazdów szynowych w symulator pulpitu maszynisty, XVIII Międzynarodowa Konferencja TransComp, Zakopane 2014r. Logistyka Nr 6/ Kaska J., Łukasik Z., Nowakowski W., Wojciechowski J.: Nowoczesny układ sterowania asynchronicznego napędu trakcyjnego, XVIII Międzynarodowa Konferencja TransComp, Zakopane 2014r. Logistyka Nr 6/ IEC61508 (2010) Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems-part 1:general requirements 9. Neil G.: On board train control and monitoring systems, Electric Traction Systems, The 9th Institution of Engineering and Technology Professional Development Course on, IET 2006, ISSN ChangyuanLiu, Xiaoming Li, Panpan Yang: Train Control Management System Safety Assessment, Proceedings of the 2013 International Conference on Electrical and Information Technologies for Rail Transportation (EITRT2013)-Volume II, Lecture Notes in Electrical Engineering Volume 288, pp , 2014, ISBN Łukasik Z., Kuśmińska-Fijałkowska A.: Laboratorium automatyzacji i wizualizacji procesów. Radom: Wydawnictwo UTH Rad. 2012, wyd. II, ISBN Łukasik Z., A. Kuśmińska-Fijałkowska: Laboratorium komputerowej symulacji układów automatyki. Radom Wydawnictwo Politechniki Radomskiej 2009, wyd. IV, stron 208, ISBN