Цель проекта – оснащение поезда оборудованием, предназначенным для записи силы тяги, расхода энергии и сигналов управления, инициируемых машинистом. Проект поможет оценить водительские качества отдельных машинистов. Класс 507 является трехюнитовым электропоездом (EMU) с возможностью движения кабины в обе стороны.

Задание

Разработать распределенную встроенную систему мониторинга, обеспечивающую запись силы тяги, расхода энергии и сигналов управления электропоездом, инициируемых машинистом с целью оценки его водительских качества. Органы управления, датчики и цепи силового оборудованию расположены в обеих частях локомотива. Необходимо представить:

• Схемы электрические структурные двух вариантов системы.

•.Схемы электрические функциональные всех узлов двух вариантов распределенной системы.

Параметры тяги и расхода энергии (значения доступны в обоих концах локомотива):

• Ток тяги постоянный <600 А (выбрать датчик);

• Ток вспомогательного оборудования переменный < 100 А (выбрать датчик);

• Напряжение шины постоянного тока 750 В (выбрать датчик);

• Напряжение шины переменного тока 110 В (выбрать датчик).

Стиль вождения (сигналы доступны в каждом конце локомотива):

• Положение ручки управления (позиции от 0 до 4, TTL уровни) ;

• Положение переключателя торможения (вкл/выкл, TTL уровень);

• Сигнал (импульс) изменения значения сигнала CAM (Автоматизированная Система Управления, TTL уровень);

• 16 значений сигнала CAM (4 линии, TTL уровни).

• Пройденный путь измеряется с помощью имеющегося оптического энкодера, установленного на оси. Импульс TTL уровня формируется каждые 2⁰. Диаметр колеса составляет 1,1 м. Максимальная скорость транспортного средства составляет 80 км/ч;

Синхронизация. Для получения сигналов времени могут быть использованы GPS-модем или часы реального времени (RTC).

Регистрация данных.

Система должна работать в течение 2 часов.

Хранилище данных, необходимо включить в систему. Для большей надежности, это должна быть твердотельная память (например, SD-карта или SPI Flash).

Следующая информация должна поступать в энергонезависимую память каждые 0,1 секунды:

• Время в формате, определенное разработчиком;

• Тяговое напряжения с точностью 16 бит;

• Тяговый ток с точностью 16 бит;

• Тяговое усилие (напряжение*ток);

• Вспомогательное напряжение с точностью 12 бит;

• Вспомогательный ток с точностью 12 бит;

• Пройденный путь;

• Положение водительской ручки;

• Положение тормозной ручки в виде одного бита;

• Количество изменений CAM;

• Положение CAM.

Источник питания.

Питание от аккумуляторной батареи. Система должна работать в течение 2 часов.

Распределенная система

Система должна использовать CAN-шину для связи распределенных узлов.

Первый вариант реализации

1. Cтруктурная и функциональная схемы проекта

Для первого варианта реализации будем использовать Микроконтроллер низкой стоимости PIC18F448 (28/40-Pin High-Performance, Enhanced Flash Microcontrollers with CAN).

Информация с датчиков и ручек управления с одного конца поезда будет поступать на PIC18F448. Через CAN-шину она будет отправляться в другой конец поезда на ещё один PIC18F448, к которому по SPI-интерфейсу подключена SD-карта памяти и будет осуществляться запись измерений. Структурная схема проекта представлена в приложении А. Электрическая схема проекта представлена в приложениях В и С.

2. Выбор датчиков.

В поезде имеются двигатели постоянного и переменного тока. Необходимо измерять мощность, которую они вырабатывают, используя формулу . Значит, нам нужно знать напряжение и ток на каждом двигателе.

1. Датчики основные

2.1.1 Максимальное напряжение шины – 750 В. Следовательно, мы подобрали датчик AV100-1000. Характеристики:

Диапазон измеряемого напряжения 1500В.

Напряжение питания 12 В.

Сопротивление нагрузки 47 Ом.

2.1.2 Максимальный ток тяги постоянный – 600 А. Следовательно, мы подобрали датчик LTC600-S. Характеристики:

Диапазон измеряемого тока 0… 1500 А.

Напряжение питания 15 В.

Сопротивление нагрузки 5 Ом.

2. Датчики вспомогательные

2.2.1 Максимальное напряжение шины - 110 В. Следовательно, мы подобрали датчик AV100-125. Характеристики:

Диапазон измеряемого напряжения 187,5 В

Напряжение питания 11,4 В

Сопротивление нагрузки 47 Ом

2.2.2. Максимальный ток – 100 А. Следовательно, мы подобрали датчик LAC 300-S.

Характеристики:

Диапазон измеряемого тока 650 А

Напряжение питания 15 В

Сопротивление нагрузки 15 Ом.

Все вышеперечисленные датчики имеют одну и ту же схему включения, ее можно увидеть в приложении D, где представлен весь измерительный блок.

3. Блок измерения мощности

Для измерения мощности будем использовать микросхему MCP3909 (рисунок 1). Так как мощность требуется измерять на двух двигателях, то понадобятся две такие микросхемы, которые будут соединены между собой с помощью интерфейса SPI (интерфейс для последовательного обмена данными между микросхемами, которая организована по принципу «Master-Slave»). Cхема блока измерения мощности представлена в приложении D.

Рисунок 2. Микросхема MCP3909.

1. СН0+ - положительный аналоговый вход для тока.

2. СН0- - отрицательный аналоговый вход для тока.

3. СН1+ - положительный аналоговый вход для напряжения.

4. СН1- - отрицательный аналоговый вход для напряжения.

5. F2/SCK – передает тактовый сигнал для Slave - устройств.

6. NEG/SDO - передает данные от Slave к Master.

7. F0/CS – выбирает Slave-объект.

8. F1/SDI – передает данные от Master к Slave.