Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Villamosmérnöki BSc. szak Ipari automatizálás és kommunikáció szakirány Jelfogók működésének regisztrálása a D55 típusú biztosítóberendezés egységeiben Szakdolgozat Készítette: Podhajeczky Péter Neptun kód: UWYSTP Miskolc, 2014
Tartalomjegyzék Bevezetés... 4 1. A jelfogós biztosítóberendezés... 5 1.1. Biztonsági jelfogó... 6 1.1.1. Az XJ típusú biztonsági jelfogó felépítése... 7 1.1.2. Az XJ típusú biztonsági jelfogó érintkezői... 9 1.2. Jelfogóegységek... 11 2. Hibák... 12 2.1. A mérőeszközök... 16 2.1.1. Múlt (és jelen)... 16 2.1.2. A jelen... 17 3. Az új mérőkészülék... 20 3.1. A zavar áramkör... 21 3.2. Az új készülék felépítése... 24 4. Az áramkör megtervezése... 26 4.1. A bemeneti áramkör kialakítása... 26 4.2. Mikrovezérlő kiválasztása... 28 4.3. LCD kijelző kiválasztása... 30 4.4. Energiaellátás... 31 4.4.1. Hőellenállás kiszámítása... 33 5. A kapcsolási rajz... 35 5.1. A nyomtatott áramkör tervezése és elkészítése... 36 6. A vezérlő program... 39 6.1. A fejlesztői környezet... 39 6.2. A program megírásának lépései... 40 2
6.3. A készülék beüzemelése... 43 6.4. A készülék működésének lépései... 43 7. Továbbfejlesztési lehetőségek... 45 Összefoglalás... 46 Summary... 47 Irodalomjegyzék... 48 Mellékletek... 49 Ábrajegyzék... 49 Táblázatok... 50 Képletek... 50 Bemeneti csatornák kapcsolási rajza... 51 A mikrovezérlős áramkör és a tápellátás kapcsolási rajza... 52 A kapcsolási rajz szerkesztő program által létrehozott alkatrészlista:... 53 A nyomtatott áramkör forrasztási és beültetési oldala:... 55 A vezérlő program mérési ciklusának folyamatábrája... 57 A vezérlő program... 58 3
Bevezetés Az élet számos területén szükség van adott folyamatok működésének automatizálására, befolyásolására. Így van ez a vasúti biztosítóberendezéseknél is, ahol szigorú biztonsági feltételeknek kell megfelelni. Azonban figyelembe kell venni, hogy a technikai eszközök időnként elromlanak. A kifejezetten technikai jellegű folyamatok esetében ezt a jogszabályok is figyelembe veszik. Persze a biztonsági kialakításuk ezeknek a rendszereknek olyan, hogy kizárják a balesetveszélyes helyzeteket. Azonban a technikai eszközök folyamatos tökéletesítésének ellenére hibák, üzemzavarok bármikor előfordulhatnak. Ezeket a hibákat sok esetben utólag nehéz rekonstruálni a kiváltó okok megismeréséhez. A vasúti biztosítóberendezéseknél alkalmazott nagyszámú jelfogók, jelfogóegységek működésük során szintén magukban hordozzák ezeket a hibalehetőségeket. A bekövetkező hibák okait a legtöbb esetben nem lehet megállapítani. A rejtett, vagy időszakosan visszatérő hibák komoly gondot jelentenek a kiváltó okok megismerésében, és a problémák elhárításában. Ezért szükséges egy olyan jelfogó működés rögzítő eszköz megtervezése, mely a jelfogók működési állapotát regisztrálja, és ezen adatok kiértékelésével a hibák feltárhatóak legyenek. Dolgozatomban a vasúti biztosítóberendezéseknél alkalmazott jelfogók, elsősorban a széles körben használt XJ típusú jelfogók működésének rögzítésére szolgáló készülék tervezését és megvalósításának lehetőségeit mutatom be. Célom hogy az új készülék egyszerű, gyors és könnyen használható legyen. Bízom benne, hogy dolgozatom jó kiindulópontja lehet egy későbbi, már továbbfejlesztett mérőeszköznek is. 4
1. A jelfogós biztosítóberendezés A vasúti közlekedés kezdetétől szükségessé váltak olyan berendezések alkalmazása melyek gépi úton kizárják, megakadályozzák az emberi figyelmetlenségekből adódó veszélyes helyzeteket. A kezdeti mechanikus, majd elektrodinamikus berendezéseket az elektrotechnika fejlődése elavulttá tette. Az 50-es évek közepén a svájci Integra cég licence alapján tisztán jelfogófüggéses berendezéseket kezdtek el alkalmazni, ahol minden elem (váltók, jelzők) állítása villamos úton történik, és minden függőség jelfogók vagy jelfogócsoportok működésével hozható létre. E berendezéseket nevezték szabadkapcsolású Integra berendezéseknek. A későbbiekben, a jelfogófüggéses berendezések nagyarányú elterjedése miatt fejlesztették ki 1955-ben a Dominó 55 (rövidítve D55) biztosítóberendezést, amely már bizonyos előre gyártott alapelemekből épült fel. Így lehetővé vált egyfajta gyártás-tipizálás, csökkent a helyszíni, az állomás kialakításától függő szerelési munka és az egyedi tervezés. A Dominó 55 típusú állomási biztosítóberendezés olyan fixprogrammal ellátott, egyközpontos vezérlőberendezés, melynél az ember-gép kapcsolatot nyomógombos kezelőkészülék teszi lehetővé. A bonyolult kapcsolástechnikával és a nagybiztonságú alkatrészek felhasználásával érhető el hogy egyetlen hiba nem okozhat üzemveszélyes állapotot. Az 1. ábrán a D55 típusú biztosítóberendezés funkcionális felépítése látható. A rendelkező készülék egy adott állomás vágányhálózatát jelenti, mely gyakorlatilag az ember gép kapcsolatot a szükséges nyomógombokkal, valamint visszajelentő lámpákkal valósítja meg. A jelfogós vezérlő berendezés feladata, hogy a kábelhálózaton keresztül, a szigetelt sínes áramkörök foglaltsági visszajelzései alapján állítsa a jelzőket és a váltókat. Olyan állomásokon ahol nagyobb számú tolató mozgást is végeznek, helyi kapcsoló telepítésére is lehetőség van.[1] 5
1. ábra: A D55 típusú biztosítóberendezés funkcionális felépítése 1.1. Biztonsági jelfogó A biztonság alapja az ismert biztonsági tulajdonságú jelfogó, és az ellenőrzött kapcsolástechnika. Feladata: egy vezérlő áramkör révén ettől galvanikusan független vezérelt áramköröket működtetni (szakítani vagy zárni). Ezért a vasúti biztosítóberendezések legfontosabb szerelvényei a jelfogók. A biztonsági jelfogók legfontosabb tulajdonságai [3]: kényszervezetett, kettős megszakítású vagy nem hegedő érintkezők, feltapadás elleni védelemmel rendelkezik, alapállását gravitációval (és kiegészítő rugóval éri el). A kényszervezetést az érintkezők egymás közötti merev kapcsolattal érik el, amelynek célja, hogy: - Akár egyetlen munkaérintkező zárása esetén a nyugalmi érintkezők egyike sem záródjon. - Akár egyetlen nyugalmi érintkező zárása esetén a munkaérintkezők egyike sem záródjon. Más szóval, a kényszervezetett jelfogókon garantálható, hogy a nyugalmi és a munkaérintkezők nem zárhatnak egy időben. 6
A biztonsági jelfogók fajtái: 1. osztályú jelfogó (N típusú): Árammentes állapotban elejtése garantálható. Vagyis az érintkezők anyagának a megválasztásával (pl.: szén-ezüst érintkezők) lehet garantálni, hogy semmilyen körülmények között nem hegednek össze az érintkezők. Ezért, gravitációs elvű a visszatérítés. 2. osztályú jelfogó (C típusú): Árammentes állapotban elejtése nem garantálható. Vagyis nem biztosítható, hogy az érintkezők nem hegednek össze. A visszatérítés gravitációs vagy rugós elvű. Továbbá a jelfogó elejtését ellenőrizni kell. 1.1.1. Az XJ típusú biztonsági jelfogó felépítése A D-55 típusú biztosítóberendezésekben többnyire 2. osztályú XJ biztonsági jelfogókat alkalmaznak, 1. osztályú jelfogókat csak a vonat érzékelésnél. KDR és miniatűr jelfogók is előfordulnak, de ezek csak visszajelentési és időzítési feladatokat szolgálnak, nem látnak el biztonsági funkciókat. Gerjesztésüket tekintve egyenáramúak, de hídkapcsolású egyenirányítóval váltakozó árammal is működtethető. Robusztus kivitelük miatt csak viszonylag lassú működésre képesek. Az XJ jelfogó felépítése részletesen: 1. Mágnesház 2. A mágnesházat lezáró cinköntvény 3. Vezetőléc 4. Hatszögletű excentrikus határoló 5. Lengőkar 6. Érintkező pogácsa 7. Cséve 8. Érintkezőhíd 9. Érintkezőtörzs 10. Érintkező tömb 11. Horgony 12. Horgonykar 13. Légréstartó lemez 14. Érintkezőléc 15. Csévecsatlakozás 2. ábra: Az XJ jelfogó felépítése 7
A jelfogó főbb tulajdonságai [2]: Függőleges működésű, súlyerő-visszatérítéses elvű jelfogó (az alaplemez legfeljebb 10 %-ot térhet el a függőlegestől), Az érintkezők kényszerkapcsolatban vannak egymással, A kettős megszakítású színezüst érintkezők berilliumbronz rugón vannak elhelyezve, az érintkezőtörzsek anyaga alpakka, A jelfogó csévék igény szerint cserélhetők, 1-3 tekercses kivitelben. A cséve tartós teljesítményfelvétele 4-8 W lehet (több tekercsnél a terhelt tekercsek összeadódnak) Környezeti hőmérséklet: -40 +60 C Vezérlő feszültsége: 6-220 V egyenáram Vizsgálati feszültsége: 2000 Veff 50 Hz Szigetelési ellenállás: 1000 MΩ 17 gyengeáramú, vagy 9 erősáramú érintkezővel szerelhető A gyengeáramú érintkező terhelhetősége: 4 A (30 VDC), 2 A 110 VDC Az erősáramú érintkező terhelhetősége: 10 A (30 VDC), 4 A 220 VAC (cosφ=1) Garantált élettartam 5 10 6 kapcsolás, támasznál 2 10 6 kapcsolás Az érintkezők átmeneti ellenállása új állapotban 0,02-0,05 A jelfogó meghúzási ideje 100-160 ms. Elejtési idő 40-60 ms A húzott jelfogó 5 ms megszakításra még nem szakítja munkaérintkezőit Gyengeáramú érintkezők repülési ideje: meghúzásnál 20-30 ms, elengedésnél 10 ms, Prellezés max 10 ms (2-7 pergés). Támaszjelfogó átváltási ideje 130-180 ms 8
3. ábra: Érintkezők átváltási ideje Az érintkezők átváltásai (3. ábra) között eltelt idők jelentősen eltérnek attól függően, hogy épp elejtési vagy meghúzási folyamat történt. Alkalmaznak még különleges kialakítású jelfogókat is, ezek az alábbiak: Támaszjelfogó, Egyoldalas (féltámasz) jelfogó, Támasz jelfogó függetlenített érintkezőkkel felszerelve, Ikerjelfogó, Nagyérzékenységű jelfogó, Reteszmágnes (zárómágnes), Erősáramú jelfogó, Kevert érintkezős jelfogó. 1.1.2. Az XJ típusú biztonsági jelfogó érintkezői Minden jelfogó típus, a nagyérzékenységű jelfogó kivételével, 3-17 érintkezőt tartalmazhat, úgy hogy egyfajta szabályként alul a nyugalmi (ejtve záró) érintkezőpárok, felül pedig a munka (húzva záró) érintkezőpárok helyezkednek el. Az XJ jelfogók érintkezőinek számozása [3]: - Az első szám a jelfogó mezőszáma. - A második szám az érintkező sorszáma, alulról számolva. 9
- A harmadik szám az érintkező szorító oldalát jelzi, így 1 ha bal oldali, 2 ha jobb oldali. 4. ábra: Az érintkezők számozása Ezek a jelfogók nemcsak felépítésükben, hanem rajzjeleikben is különböznek társaiktól 5. ábra: Az XJ jelfogó általános rajzjelei A fenti ábrán látható egy 5. mezőszámú jelfogó csévéjének és az érintkezőinek általános jelölése. A jelfogó alapállapotát jelző nyíl iránya mutatja meg hogy üzem közben húzott vagy ejtett állapotban található a jelfogó. Ha ejtett állapotban van, akkor lefelé, ha húzott állapotban, akkor felfelé mutat. Az érintkező elrendezésből (4/3) megtudható hogy összesen 7 db érintkezője van, ebből 4 db húzva záró, azaz munkaérintkező (felső szám) és 3 db ejtve záró, azaz nyugalmi érintkező (alsó szám). A csévekivezetések esetében a 10
számpárok közül a kisebbik szám általában a cséve kezdetét, a nagyobb szám pedig mindig a cséve végét jelöli 1.2. Jelfogóegységek Az egymással szoros kapcsolatban levő jelfogókat jelfogóegységekbe szerelik, és a köztük levő villamos kapcsolatot az egységen belüli huzalozással valósítják meg. A D-55 típusú biztosítóberendezésnél csak a teljes áramkör 80-90%-a került a jelfogóegységekbe, a többi jelfogót úgynevezett szabadkapcsolásban továbbra is egyedileg kerül felhasználásra. A tipizált jelfogóegységek dugaszolható kivitelének köszönhetően, lehetővé vált a sorozatgyártás, nagymértékben egyszerűsödött a szerelés, gyorsul a hibabehatárolás és javítás. Minden jelfogóegység, két sorban összesen maximum 12 darab XJ típusú jelfogót tartalmaz, a felső sorban legfeljebb 7 érintős jelfogó szerelhető. A jelfogók és más alkatrészek azonosítása az egységen belül elfoglalt úgynevezett mezőhely számmával történik. Az egység 8 darab 12 pólusú (összesen 96) tuchel csatlakozón keresztül csatlakozik a biztosítóberendezés többi áramkörével. [3] 6. ábra: Jelfogóegység 11
2. Hibák Működési hibák bármikor előfordulhatnak, de ha megismerjük a kiváltó okokat, és megfelelő lépéseket teszünk ezek megszüntetésére, akkor számuk lényegesen csökkenthető. A vasúti biztosítóberendezésekben alkalmazott jelfogók nem megfelelő működéséből adódó hibák feltárása sokszor nehezen megoldható. Az esetek nagy részében, a hibakeresés több vizsgálati fázis után vezet eredményre. Jellemző probléma a sokszor időszakosan visszatérő hibák feltárása, hiszen a szemrevételezéssel, méréssel, vizsgálatokkal nem észlelt hibák, bármikor újra előjöhetnek. A jelfogók sok érintkezője közül, ha akár egy is nem megfelelően zár, vagy több érintkezőnek az együttes ellenállása bizonyos szint felett van akkor a jelfogók meghúzása nem garantálható, így a berendezés üzemképtelenné válik. Továbbá a nem látható apró repedések, kopások nem biztosítják a megfelelő mechanikai kontaktusokat, mely szintén a berendezés hibájához vezet. A jelfogókkal szemben elvárt követelmények: mechanikai alaktartás, biztonságos elektromos érintkezés, hosszú élettartam, kis átmeneti ellenállás, ellenálló képesség külső hatások ellen. Ezek a követelmények nagy részben kielégíthetőek, például megfelelő anyagú érintkezők alkalmazásával (keménység), öntisztító működéssel, légmentesen zárt helyen tárolással (külső hatások ellen), továbbá rendszeres időközönkénti felülvizsgálatokkal. Azonban ahogy a tapasztalat mutatja, pont ezeknek a tulajdonságoknak a romlása adja a hibák nagy százalékát. A legtöbb esetben az alábbi, időszakosan előforduló hibák okozzák a meghibásodásokat: érintkezők nem megfelelő zárása (pl. szennyezés) nagy átmeneti ellenállás "hidegforrasztás" 12
közbenső jelfogók mechanikai állapota (pl.: repedések, törések, szorulás, szakadt cséve) A jelfogó érintkezőinek nem megfelelő záródását okozhatja a pogácsa elhasználódása, mely az életkoruktól is nagymértékben függ. Az átmeneti ellenállás a jelfogó új állapotában 0,02-0,05. Ez az érték az idő múlásával csak romlani fog. Kiváltó oka lehet, akár az érintkező felületén kialakuló vékony oxidos réteg, ami néhány kapcsolás után fel- vagy áttörik, akár a poros, szennyezett érintkező, illetve a felületen létrejövő apró repedések [4]. A jelfogó egységek kialakítása zárt, mégis a porosodás elkerülhetetlen velejárója a működésnek. Az érintkezők kapcsolási megbízhatósága csökken a terhelések, és a kapcsolások számának növekedésével. Így az átmeneti ellenállás romlása miatt fellépő hő következtében az érintkezők felmelegszenek, és annál jobban, minél nagyobb az érintkezőkön átfolyó áram és minél nagyobb az érintkezési ellenállás. A következő ábrán egy beégett pogácsájú érintkező látható. 7. ábra: Beégett érintkezők Az érintkezők szennyezése kapcsán megemlíthető, hogy kialakításuk révén öntisztítóak. Maga az érintkező pogácsa nyerges kialakítású, az érintkezőhíd pedig hengeres felületű. Ez a forma biztosítja mindkettő biztos felfekvését. Az érintkezőrugó kiemelésekor az érintkező pogácsa és az érintkezőhíd érintkezési pontja elcsúszik, ezáltal az érintkező öntisztítása is megvalósul. Tehát a kontaktuson esetleg felgyülemlett szennyeződés a 13
működéskor lecsiszolódik. De mindez még nem zárja ki így sem a szennyeződésből (por, korom) adódó kontakthibákat. Hiszen nagyon kicsi érintkező terhelés esetén az érintkezők hiányzó öntisztulása elősegíti az érintkezés megbízhatóságának csökkenését. 1.-Érintkezőhíd 2.-Érintkező pogácsa 3.-Érintkező rugó 8. ábra: A jelfogó érintkezői A biztonsági jelfogók csévéi egy, két vagy három egymástól független tekercset tartalmaznak, amely egy jelfogónak több egymástól független helyről történő vezérlését teszi lehetővé. A cséve szakadást előidéző okok többek közt lehetnek akár anyagfáradásból eredő, vagy éppen a jelfogó működése során létrejövő rezgések okozta törések is. Ilyen, szakadás jellegű meghibásodás esetén a horgony elejt, és a jelfogó működésképtelen lesz. A következő ábrákon gyakran előforduló mechanikai hibák láthatóak: 9. ábra: Kitört mágnesházat lezáró cinköntvény 10. ábra: Elkopott vezetőléc 14
11. ábra: Horgonykar keresztirányú elkopása 12. ábra: Érintkezőléc kopása Figyelembe véve, hogy egyes jelfogók 30-40 évesek, a tapasztalt hibák sajnos nem meglepőek. Az érthetőség szempontjából meg kell említenem a vasútnál alkalmazott Hiba és Zavar pontos jelentését. [5] Hiba : A vasúti sorompó berendezés közvetlen balesetveszélyt nem jelentő meghibásodása. Vagyis a fénysorompó berendezés működésében előforduló kisebb, nem üzemveszélyes meghibásodás. Hiba állapot okai lehetnek pl.: A fényjelzők izzóinak meghibásodása (a villogó fehér- vagy a két, felváltva villogó piros fényt szolgáltató izzó valamelyikének meghibásodása), csapórúd hiba, a sorompó berendezés helyi hálózati táplálásának megszűnése. Zavar : A vasúti sorompó berendezés közvetlen balesetveszélyt jelentő meghibásodása. Ebben az esetben a fénysorompók sötétek, ami üzemveszélyes helyzet, mivel az útátjáró felé közlekedő vonatot a közúti járművezetők számára nem jelzik. Zavar állapot okai lehetnek pl. A fénysorompó mindkét piros fényt szolgáltató izzójának kiégése, lényeges áramköri meghibásodás, bekapcsoló és oldó szigeteltsínek meghibásodása. 15
2.1. A mérőeszközök 2.1.1. Múlt (és jelen) Még a 90-es évek végén került alkalmazásba a Sort2 megnevezésű működés regisztráló műszer, mely kifejezetten a jelfogós biztosítóberendezések hibakeresésére lett kifejlesztve. 13. ábra: Sort2a jelfogó regisztráló műszer Robosztus kivitele és kissé nehézkes működtetése ellenére mind a mai napig használatban van. Jellemzően a kornak megfelelő alkatrészekkel felépített, ami mára elavult technikának számit. Kialakítása révén alkalmas vonali és állomási berendezésekben használt jelfogók vizsgálatára is. Főbb paraméterei: 16 bemeneti csatorna Tápellátás: 230V, 50Hz/24V AC/DC adapter, vagy 18-55V névleges értékű egyenfeszültségről RS232-es inteface 16
2.1.2. A jelen Talán utat mutat a jövő felé a Műszer Automatika Kft. által fejlesztett eszköz, az ER-2 eseményrögzítő rendszer, mely a jelfogós berendezések működési adatainak rögzítésére, az adatok tárolására, megjelenítésére, a kiértékelés támogatására szolgál. Ez már sokkal komplexebb eszköz, mint a Sort2, és mai kornak megfelelő működési adottságokkal rendelkezik. Használatával a sorompó berendezés minden jelfogójának (húzott vagy ejtett) állapota megfigyelésre, rögzítésre kerül. Idegen berendezésből pedig jelenleg feszültségfüggetlen érintkezőket, vagy csévefeszültséget tudnak fogadni. 14. ábra: ER-2 eseményrögzítő (www.bizber.hu) Az ER-2 eseményrögzítő rendszer célja [6]: jelfogós berendezések működési adatainak rögzítése az adatok átmeneti tárolása az adatok helyből vagy távolról történő letöltése, az adatok archiválása az adatok, megjelenítése, a kiértékelés támogatása. Főbb tulajdonságai: több mint 600 csatorna folyamatos megfigyelése a rögzített adatokat 1 hónapra visszamenőleg tárolja 17
GSM adatátvitel soros adatátvitel beépített modem az adatokhoz több felügyeleti munkaállomás is hozzáférhet 15. ábra: ER-2 adatkapcsolati kialakítás A fenti ábrán az ER-2 eseményrögzítő rendszer adatkapcsolati vázlata látható. A rendszer előnye, hogy az adatokhoz egymástól függetlenül több felügyeleti munkaállomás is hozzáférhet. Ezeken a munkaállomásokon (számítógépeken) az adatok archiválhatók, megjeleníthetők, kiértékelhetők. Maga a működés, vagyis a tényleges jelfogó állapot érzékelés LED ek segítségével történik. Minden LED-hez tartozik egy fototranzisztor mely érzékeli a LED-ek fényét és egy processzor segítségével összegyűjti az információkat, majd továbbítja az eseményrögzítő felé. Az alábbi képen a LED-es állapotérzékelés kialakítása látható. 18
16. ábra: Jelfogó állapotok ellenőrzése LED-ek segítségével (www.bizber.hu) Az eseményrögzítő gép feladata az olvasópanelek által szolgáltatott adatok összegyűjtése, ideiglenes tárolásra előkészítése, ideiglenes tárolása valamint a felettes szintek (helyi illetve távoli adatlekérdezés) adatokkal történő kiszolgálása. 17. ábra: Az eseményrögzítő és az olvasópanelek bekötése Jelenleg a miskolci Igazgatóság területén csak a Gyöngyös melletti AS 110 jelű sorompó berendezésben található ilyen eseményrögzítő eszköz. Üzembe helyezésének jelentős költségei nem teszik lehetővé valamennyi sorompó berendezésben való alkalmazását. 19
3. Az új mérőkészülék Elsődlegesen olyan szempontokat kellett figyelembe vennem, mint, hogy mit fogok mérni, hol fogok mérni és mennyi mérőpontra lesz szükségem minimálisan. Mint ahogy korábban is említettem, egy sorompó berendezés működése számtalan áramkörből épül fel. Egy-egy jelfogó részt vesz több különálló kapcsolásban is. Persze a tökéletes regisztrálás az lenne, ha minden jelfogó húzott vagy ejtett állapotát regisztrálnánk, de ennek kivitelezése jelen esetben felesleges, hiszen csak bizonyos áramköröket, áramköri részeket vizsgálunk. A jelfogók tényleges működését (húzott vagy ejtett állapotát) kell rögzítenem. Lényegében nincs szükség arra, hogy a jelfogó csévefeszültségét is vizsgáljam, hiszen attól még, hogy megkapta a működéséhez szükséges 24V egyenáramot, a tényleges húzott vagy ejtett állapot még nem biztos, hogy be is következett. Tehát a vizsgálat célja, hogy valóban megtörtént-e ez az átkapcsolás a jelfogón. Az adatok tárolását tekintve pár másodpercnyi adat elegendő a jelfogók működésének rekonstruálására. Ahhoz, hogy egy jelfogó kapcsolását érzékelni tudjam, szükségem van egy szabad érintkező párjára, ami üzemszerűen nem vesz részt egy adott áramkörben. Ez fontos tényező, hiszen egy munkaérintkezőt nem használhatnék erre a feladatra, mivel ezek az érintkezők már foglaltak, vagyis 24V- os feszültséggel vannak terhelve. Tehát, ha erre a szabad érintkező párra továbbítok egy meghatározott értékű stabil feszültséget, akkor a jelfogó helyes működése során szakítja, illetve zárja ezt a vonalat. Így már érzékelhető a jelfogó tényleges kapcsolása, vagyis visszajelzést kapok a működéséről. Ezt a meghatározott értékű feszültséget pedig kezelhető szintre kell alakítanom, amit akár egy mikrovezérlő is képes fogadni, így az adatok tárolását is el tudja végezni. 20
Jelfogó Bejövő feszültség érzékelése/átalakítása Adatok feldolgozása/tárolása 18. ábra: Jelfogó érzékelési folyamat Az érzékeléshez azért van szükség stabil feszültségre, mert az akkumulátorok kapocsfeszültsége a hőmérséklet ingadozások során eltérő értékűek lehetnek. Az alábbi táblázat ezeket a feszültség változásokat mutatja, melyek gyári adatok [7]. 1. táblázat: A kimenő feszültségek változása a hőmérséklet függvényében Hőmerseklet ( c ) -25-10 +25 +50 Kimenő feszültség (V) 28 28 27,6 26,5 Eltérés (V) + - 0,2 0,2 0,0 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Az áramkörökben részt vevő jelfogók számát tekintve, 8 mérési pont elegendő egy-egy áramkör vizsgálatához. Kezelés szempontjából szükségem lesz még egy kijelző eszközre, amin majd a tárolt adatokat utólagosan megtekinthetem. Erre egy normál két soros LCD kijelző megfelelő lehet. 3.1. A zavar áramkör Ami lényeges, és a mérés szempontjából is fontos elem, az a zavarjelző jelfogó állapotának figyelése. Hiszen ezen jelfogó állapotváltozásának hatására kell, hogy a mérési ciklus leálljon. Magának a zavarjelző áramkörnek a feladata a sorompó berendezés állapotának állandó vizsgálata és ellenőrzése. Ha ez az áramkör a berendezés működésében olyan meghibásodást tapasztal, ami üzemveszélyes helyzetet teremthetne, a működést ellenőrző R1 és R2 zavarjelző jelfogók elejtésük után érintkezőikkel a sötét jelzési képet vezérlik ki a közúti jelzőkre. 21
19. ábra: A zavar áramkör elvi- blokkvázlat szerinti felépítése Maga az áramkör felépítése eléggé összetett és sokrétű. A zavarjelző jelfogók alapállásban, egy tartóáramkörben saját érintkezőiken keresztül húzott állapotban vannak. Elengedésük után, az áramellátásban részt vevő érintkezőik bizonyos fogyasztók tápellátását megszakítják és így a működésképtelenséget jelző sötét jelzési kép jelenik meg a fényjelzőn.[8] Ilyen zavar jelző jelfogóktól függő áramkör pl.: Beszámláló áramkör Pontszerű vonatérzékelésnél a közelítési szakaszban lévő vonatok számát a berendezésnek meg kell tudni állapítani. A beszámláló áramkörrel a vonatok mennyisége és helyzete a közelítési szakaszban megállapítható. 22
Vezér áramkör Feladata, hogy a közelítési szakaszban a már beszámlált vonat hatására a közút önműködő lezárása, valamint a lezárás megszüntetése. Fény áramkör Feladata, a vezérmágnes érintkezővel meghatározott jelzési parancs végrehajtása és a fények állandó ellenőrzése. Sorompómotor áramkör Csapórudak lezárása és felnyitása. hibajelző jelfogó tartóáramköre. Ezen áramkörök alapállásban a zavarjelző jelfogóktól függő gyűjtősínről kapnak táplálást. Tehát lényegében az új regisztráló készülék jelfogó állapot rögzítésének addig kellene tartania, amíg ennél a zavarjelző jelfogónál állapotváltozás nem történik. Ha ez bekövetkezett, akkor az adatrögzítés leáll, a tárolt jelfogó állapotok pedig utólag megtekinthetők, és a vizsgált áramkörben részt vevő jelfogók kapcsolási sorrendisége rekonstruálható. Így az egyes jelfogók működési problémáiból adódó hibák kiszűrhetőek. Mivel csak közvetlenül a zavar állapot előtt bekövetkezett eseményekre (jelfogó működésekre) van szükség, így pár másodpercnyi adat tárolása elegendő a későbbi kiértékelés szempontjából. 23
3.2. Az új készülék felépítése 1. bemenet 1. 7. bemenet 7. 8. bemenet 8. Zavarjelző jelfogó Jelfogó egységek Regisztráló készülék 20. ábra: A mérési pontok vázlatos felépítése Az új készülék áramkörének kialakításánál a következő elvárásokat kellett figyelembe vennem: A vizsgálni kívánt berendezés 8 különböző pontjáról érkező feszültségállapotot, változásokat érzékelni tudja, A bemeneti állapotokat tárolni tudja, a tárolta adatok azonnali megtekinthetősége egy kijelző modulon, a bemenetek állapotai később, a feldolgozás során rekonstruálhatók legyenek, könnyű és egyszerű használat. Az elkészítendő készülék az alábbi részegységeket tartalmazza: Bemeneti áramkör, itt csatlakozik a készülék közvetlenül a jelfogó szabad érintkezőjére és kapja meg az érzékeléshez szükséges feszültséget. 24
Mikrovezérlő, a mérési folyamat automatikus végrehajtására, adatok tárolása. LCD kijelző, a mérés aktuális állapotának kijelzése, a tárolt adatok megtekintése. 2 db nyomógomb, a mérés indítása, valamint a tárolt adatok léptetése. Tápegység a készülék tápellátása mind a jelfogó érzékelés, valamint a mikrovezérlő és LCD kijelző részére. A készülék blokkvázlata a következő ábrán látható: Nyomógomb LED LCD kijelző Mikrokontroller Bemeneti csatlakozó sáv Tápegység 21. ábra: Az új készülék blokkvázlata 25
4. Az áramkör megtervezése Ebben a fejezetben szót ejtenék a feladat megvalósításához szükséges egységek tervezéséről. Bemutatásra kerül az egyes alkatrészek kiválasztásának szempontjai, valamint a kapcsolási rajz tervezésének lépései, komplexitása. 4.1. A bemeneti áramkör kialakítása Ahogy korábban is említettem, 8 csatlakozási pontra lesz szükségem az érzékeléshez. A bejövő jelek érzékelését, illetve kezelhető szintre alakítását a mikrovezérlő részére, optocsatolókkal oldom meg. Erre a feladatra a 4N25 típusú optocsatolót választottam. Fontosabb paraméterei: bemeneti áram: max 60 ma bemeneti feszültség: max 3V nyitó feszültség: 1,2 V kimeneti feszültség: max. 30V kimeneti áram: max. 150mA DIP6 tokozás 22. ábra: 4n25 optocsatoló A jelfogó felől érkező jel, ebben az esetben a 12V-os feszültségszint tönkretenné az optocsatolót. Így egy előtét ellenállást kell alkalmaznom. Ennek számítása: 26
Bejövő feszültség: 12V Optocsatoló nyitófeszültsége: 1,2V Optocsatoló nyitóárama: 20mA Az képlettel (1) meghatározom a szükséges ellenállás értéket: Tehát 510 -os előtét ellenállásokat fogok alkalmazni. A jelfogó érzékelés kialakítása: 23. ábra: Egy bementi csatorna kialakítása A fenti ábra egy mérőpont csatlakozását ábrázolja. Tehát ha egy szabad érintkező pár egyik végére meghatározott értékű stabil feszültséget (legyen ez most 12V egyenfeszültség) továbbítok, az érintkező pár másik kivezetését pedig földpontra kötöm, akkor a jelfogó a kapcsolását követően, az optocsatoló kimeneti pontján már érzékelhető, hogy ez az átkapcsolás megtörtént, a jelfogó működik. Az R2-es ellenállás szerepe, hogy az optocsatoló kimenetét a pozitív tápfeszültségre húzza fel. A D01 jelű dióda az optocsatoló védelmére szolgál. 27
Mivel analóg optocstolóról van szó, a kimenetét egy felhúzó ellenállással a mikrovezérlő számára kezelhető jelszintre alakíthatjuk. Így a működés során, ha az optocsatolóban levő tranzisztor nyitott állapotban van (vezet), tehát a kimenetét földre húzza, akkor logikai 0 jelenik meg a kimeneten. Ha pedig zárt állapotú (nem vezet), tehát a kimenetet a pozitív tápfeszültségre húzza fel, akkor logikai 1 a kimeneti jelszint. Ezt a jelszintet pedig a mikrovezérlő már kezelni tudja. 4.2. Mikrovezérlő kiválasztása A mikrovezérlő kiválasztásánál figyelembe vett főbb szempontok: -Nagyszámú port: -8 csatorna fogadásához, -LCD kijelző vezérléshez, -valamint a led meghajtásához és a nyomógombok beolvasásához. -elegendő memória az adatok feldolgozására, tárolására Továbbá a könnyű beszerezhetőség és az alacsony ár sem mellékes. Jelen esetben egy 40 lábbal rendelkező mikrovezérlő lenne megfelelő a nagyszámú csatorna, illetve a csatlakozó egységek miatt, továbbá a későbbi fejleszthetőséget is figyelembe véve. Mindezeket szem előtt tartva, a Microchip cég által fejlesztett igen népszerű PIC mikrovezérlők közül válogattam. Mind a PIC16 és PIC18 termékcsaládban már találhatóak nagyszámú I/O portal és többféle támogatással rendelkező mikrovezérlők. A PIC18 as sorozat tudásában is jelentősen fejlettebb elődeinél. Akár 18-100 I/O lábat, több 8/16 bites számláló/időzítőt, fejlettebb A/D átalakítót, PWM modult is tartalmaz. Megtalálhatók akár a CAN, USB, Ethernet kommunikációkhoz szükséges modulok is. A választás végül ebből a sorozatból a PIC18F4520- ra esett. 28
24. ábra: A PIC18F4520 lábkiosztása Legfontosabb paraméterei [9]: Program memóriamérete: 32 kb Programmemória típusa: Flash RAM mérete: 1536 bájt Tüskék száma: 40, ebből 36 db I/O kivezetés Maximális frekvencia: 40MHz Jellemző tápfeszültség: 4,2 5,5 V Maximális működési hőmérséklet: +85 C Min. működési hőmérséklet: -40 C Maximális frekvencia: 40MHz Data EEPROM: 256 bájt A nagy lábszámú mikrovezérlőnek köszönhetően könnyedén kioszthatóak a feladatok a portok között. Egy-egy láb többféle funkciót is képes ellátni. A lábak meghatározott feladatát a vezérlő program elején kell majd inicializálnom. 29
2. táblázat: A mikrovezérlő portjainak kiosztása Áramköri funkció Jelölése A port iránya Mikrovezérlő port Jelfogó érintkező érzékelés CS1 bemenet porta,0 Jelfogó érintkező érzékelés CS2 bemenet porta,1 Jelfogó érintkező érzékelés CS3 bemenet porta,2 Jelfogó érintkező érzékelés CS4 bemenet porta,3 Jelfogó érintkező érzékelés CS5 bemenet porta,4 Jelfogó érintkező érzékelés CS6 bemenet porta,5 Jelfogó érintkező érzékelés CS7 bemenet portd,0 Jelfogó érintkező érzékelés CS8 bemenet portd,1 LCD vezérlő busz RS kimenet portc,0 LCD vezérlő busz RW kimenet portc,1 LCD vezérlő busz E kimenet portc,2 LCD adat busz D4-D7 be/kimenet portd,4 portd,7 Nyomógomb (indítás, léptetés) G1 bemenet porte,1 LED állapotjelzés LED kimenet porte,0 Kristály (órajel) OSC1-OSC2 bemenet porta,6 porta,7 ICSP* MCLR bemenet porte,3 (MCLR) ICSP* PGD-PGC bemenet portb,6 - portb,7 *Az ICSP: In-Circuit Serial Programming, azaz az áramkörön belüli programozás rövidítése. 4.3. LCD kijelző kiválasztása A mérési adatok kijelzéséhez egy két soros 16 karakteres kijelző modult használtam fel. A 16 karakter elég a megjelenítendő adatokat tekintve, hiszen a kijelző felső sorában a csatornák számát szeretném kiíratni, az alsó sorában pedig a csatornákhoz tartozó állapotok kerülnek. Továbbá az alsó sorban egy számláló is kijelzésre kerül, ami a léptetések számára lesz fontos. A kiválasztott típus a SCM1602, amely HD44780 vezérlővel van ellátva, mint minden ilyen típusú LCD kijelző. Nagyon elterjedt, könnyen beszerezhető és egyszerű a használata. A 14 kivezetésből 3 a tápcsatlakozás, 3 a vezérlő és 8 az adatvonal. 30
25. ábra: Az SCM1602 lábkiosztása 3. táblázat: LCD kivezetések és azok funkciói Jelölés VSS VDD VEE RS RW E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Funkció Test Pozitív tápfeszültség Kontraszt szabályzó Regiszter választó (parancs/adat) Olvasás/Írás (adatáramlás választás) Engedélyező jel Adatvonal 0.bit Adatvonal 1.bit Adatvonal 2.bit Adatvonal 3.bit Adatvonal 4.bit Adatvonal 5.bit Adatvonal 6.bit Adatvonal 7.bit 4.4. Energiaellátás A kiválasztott alkatrészek, eszközök ismeretében a tápegység már könnyen méretezhető. A mikrovezérlő és az LCD modul +5V-os tápfeszültséget igényelnek. Az optocsatolók a megfelelő előtét ellenállásokon keresztül a +12V-os tápfeszültségről működnek. Az összes fogyasztásuk a 4. táblázatban kerül részletezésre. Figyelembe kell venni, hogy a vasúti biztosítóberendezések áramellátásáról biztosítható legyen a működéshez szükséges feszültség. Minden biztosítóberendezésben található 230V-os hálózati csatlakozó, így a táplálás történhetne 230V, 50Hz/24V AC/DC adapter alkalmazásával is. Viszont figyelembe véve az esetleges hálózati feszültség kimaradásokat, így ezt a lehetőséget elvetettem. Az áramkör stabil, folyamatos működéséhez a 31
tápfeszültséget a sorompó szekrényekben elhelyezett 2db 12V-os akkumulátorról fogom biztosítani. Mivel minden alkatrészt a későbbiekben a rendszertáp feszültségéhez kell majd illeszteni a készülék működéséhez szükséges feszültség szinteket különböző módokon állítom elő. Jelen esetben két egyszerűbb feszültség stabilizátoros megoldást alkalmazok a 12V, illetve az 5V előállításához. 4. táblázat: A fogyasztás összesítése Fogyasztó megnevezése Fogyasztása [ma] Mikrovezérlő 25 LCD 1,5 LED 20 Optocsatoló (8 db) 20 x 8 = 160 Összesen: 206,5 Gyűjtés az alkatrészek adatlapjai alapján. Tehát minimum 210 ma terhelhetőségű tápra lesz szükségem, de 300mA-re méretezem a tápegységet. Az analóg feszültségszabályozók egyszerűek de nagy hátrányuk hogy a feszültségkülönbözetet hő formájában leadják a környezetűkbe és ezért melegednek. A felesleges villamos teljesítményt hő teljesítménnyé alakítják át, amelyet valamilyen módon át kell adni a környezetnek. Ilyen esetekben hűtőborda alkalmazása szükséges, amelyet méretezni kell. A kiszámításhoz először is szükségem van a félvezetők fogyasztására Az 5V-os feszültségszabályzóra eső fogyasztás: Ube= 12V Uki= 5V Udrop= Ube-Uki= 12V 5V= 7V Mivel az 5V-os tápfeszültségről működik a mikrovezérlő, az LCD és a LED, az összes áramuk: 46,5mA 50mA 32
Így a teljesítmény: (2) P=U*I= 7V*50mA= 350mW. Ebben az esetben elhanyagolható a hűtőborda alkalmazása. A 12V-os feszültségszabályzóra eső fogyasztás: Ube= 27V Uki= 12V Udrop= Ube-Uki= 27V 12V= 15V I= 300mA P=U*I= 15V*250mA= 4,5W Itt már jelentősebb fogyasztás tapasztalható. 4.4.1. Hőellenállás kiszámítása. Ahhoz, hogy pontosan méretezni tudjuk a hűtőbordát, szükségünk van pár hőtani számításra. Ennek szemléltetése az alábbiakban következik. 26. ábra: Hőtani modell 33
θj = p-n átmenet hőmérséklete θc = tok hőmérséklete θa = környezet hőmérséklete Rth G= saját belsőhőellenállás Rth K= hűtőborda hőellenállása P = hőteljesítmény Amire nekem szükségem van, az az RthK értéke, vagyis a tranzisztor és környezete közötti hőellenállás. Ezt az alábbi képlettel számítom ki: (3) így θj = 125 C (maximális érték, adatlapból) θa = 25 C (adatlapból) P= 4,5W Rth G = 5C /W (adatlapból) Rth K =((125C - 25C )/4,5W)-5C /W = 17,2 C /W Tehát a szükséges hűtőborda hőellenállása: 17,2 C /W Az érték alapján egy adott gyártó adatlapján már könnyen kiválaszthatjuk a megfelelő hűtőborda méretet. 34
5. A kapcsolási rajz A tervezéshez és a kapcsolási rajz elkészítéséhez a Labcenter Electronics cég által fejlesztett Proteus 7.4-es verziójú programcsomagját használtam, amellyel már korábban is pozitív tapasztalatokra tettem szert. A programcsomag az ISIS (Intelligent Schematic Input System) kapcsolási rajz szerkesztő modul, és az ARES (Advanced Routing & Editing System) nyomtatott áramkör tervezőmodulokból áll. Az alkalmazás felhasználóbarát kezelőfelületet biztosít a kapcsolási rajz, valamint az alkatrészekhez tartozó saját könyvtárak létrehozása és kezelése kapcsán. A programban található PROTEUS VSM modellkönyvtár lehetővé teszi a mikrokontrollerek modellezését, a betöltött programjuk futtatását és tesztelését. Ez a modellkönyvtár tartalmazza többek között a népszerűbb processzor családokat, mint például, PIC, AVR, 8051, stb. Az alkalmazott mikrovezérlők szimulációja során futtatható assembleren kívül még C, vagy BASIC fordítóval készült program is. A Proteus újabb verzióiban már megtalálható akár az MSP430 mikrovezérlő is. Az áramkörtervezőn belül a prospice szimulátor tartalmazza az analóg és digitális alkatrészeket, valamint lehetőséget biztosít azok animálására. Az egybe integrált kapcsolási rajz szerkesztő és a szimulátor moduloknak köszönhetően egy elvi rajz alapján már ki is próbálható az áramkör. A beépített alkatrészkönyvtár több ezer alkatrészt tartalmaz, így könnyen kiválaszthatjuk a nekünk megfelelőt. Ha mégse sikerülne megtalálni a megfelelőt, vagy épp a paraméterekben (tokozás, lábforma, stb.) nem egyeznek a nekünk szükségessel, akkor akár magunk is létrehozhatjuk, megrajzolhatjuk. Végül a megfelelően elkészített kapcsolási rajzból már könnyen elkészíthető az ARES programmodul segítségével a nyomtatott áramköri rajz. 35
27. ábra: ISIS kapcsolási rajz szerkesztő modul, az elkészült kapcsolási rajzzal A tervezés során új alkatrész létrehozására nem volt szükség, mert valamennyi felhasználandó elem megtalálható volt a programban. Opcionálisan elhelyeztem egy kristály-oszcillátort, külső órajel generálásához, ha esetleg szükség lenne rá. Továbbá a hozzá tartozó két 33pF-os kondenzátort. A mikrovezérlő MCLR (Master Clear) lábára egy későbbi nyomógomb bekötésének is lehetőséget biztosítottam. Továbbá a mikrovezérlő felprogramozásához szükséges ICSP csatlakozónak is szükség volt egy 5 vezetékes port kialakítása. A kész kapcsolási rajzok a felhasznált alkatrészek listájával együtt, az 1. számú mellékletben találhatóak. 5.1. A nyomtatott áramkör tervezése és elkészítése Az ISIS kapcsolási rajz szerkesztő modulból, a "Tools/Netlist to ARES" menüpont segítségével már rögtön át is léphetek az ARES nyomtatott áramkör tervező modulba. A tervező program nagy előnye, hogy egy gombnyomásra létrehozza a kötéslistát, amely 36
tartalmazza az áramkörben található alkatrészek listáját és a közöttük fennálló kapcsolatokat, összeköttetéseket. Továbbá akár 16 rétegen is lehet tervezni az alsó és felső rétegeken kívül. Az alkatrészek elhelyezésénél lehetőség van automatikus elrendezésre és huzalozásra, bár ebben az esetben is érdemes kézzel kijavítani a huzalozást. Mivel nem nagy áramkörről van szó, elég egy rétegen terveznem. Az esetleges átkötések pedig megoldhatók a felső (Top) rétegen. 28. ábra: Az ARES nyomtatott áramkör tervező, az elkészült áramkörrel Az alsó réteg (forrasztási oldal) és a felső réteg (beültetési elrendezés) a 2. számú mellékletben tekinthető meg. A nyomtatott áramköri panel elkészítéséhez a fotótechnikai eljárást alkalmaztam, még ha kissé körülményesebb is mintha vasalással készíteném. Az eljárás lényege, hogy a megtervezett vezeték mintázatot fekete-fehér lézer nyomtatóval, egy átlátszó (írásvetítő) fóliára kinyomtatom. Itt ügyelni kell, hogy a nyomat a lehető legjobb minőségben kerüljön 37
a fóliára az esetleges hibák elkerülése miatt. Csak lézer nyomtatóhoz alkalmazható fóliát szabad használni, a magas hőmérséklet miatt. A következő lépésben alaposan megtisztítom a már korábban méretre vágott nyomtatott áramköri lemezt, hogy ne maradjon rajta semmilyen szennyeződés. Majd ezt a megtisztított, megszárított lemezt Positiv 20 fényérzékeny lakkal lefújom, ügyelve arra, hogy egyenletesen szétterüljön a felületen. Itt fontos megemlíteni, hogy mivel fényérzékeny lakkról van szó, a helységet be kell sötétíteni. Az önszáradási folyamat megközelítőleg 20 óra, így erre az időre egy lezárt dobozban fénymentes helyre tettem. A száradás után következik, hogy a nyomtatott áramköri lemez fényérzékeny felületére helyezem a kinyomtatott fóliát, amire egy üveglapot helyezek. Az üveglapra azért is van szükség, hogy a fóliát leszorítsa, továbbá, hogy az UV fényt átengedje. A megvilágításhoz elegendő egy 80 W-os UV lámpa, amivel nagyjából 15 percig kell világítanunk a panelt. Ha ez is megvan, jöhet az előhívás. Maga az előhívó folyadék összetétele 7g nátrium-hidroxid és 1 liter ioncserélt víz. A nyák panelt belehelyezzük ebbe az előhívó folyadékba (lakkréteggel felfelé), és néhány másodperc elteltével az áramkör mintázata már jól láthatóvá válik. Ezután következik a maratás. A marató folyadék összetétele: 3 egység víz, 2 egység 25%-os sósav és 1 egység 35%-os hidrogénperoxid. Az előhívott nyák lemezt szintén lakkréteggel felfelé belehelyezzük ebbe a folyadékba, majd lassú, de folyamatos mozgatással, ami nagyjából pár percig tart, áramoltatjuk ezt a folyadékot. Ha ez is megtörtént, jöhet az öblítés és szárítás. A kész panel a beültetett alkatrészekkel a 2. számú mellékletben tekinthető meg. 38
6. A vezérlő program A programot, a változókat (jelfogónként a csatlakozások) és a tárolt adatokat (jelfogók húzott/ejtett állapotát) tartalmazó tömböt, az összetett adatstruktúra miatt célszerűbb és áttekinthetőbb C programnyelven megírni. A program megírásához szükséges a mikrovezérlő portjainak a kiosztása, ami 3. táblázatban látható. 6.1. A fejlesztői környezet A programot a Microchip cég által fejlesztett és kifejezetten a PIC mikrovezérlők számára készült MPLAP IDE (Integrated Development Environment) fejlesztői környezetben készítettem, mely többek között tartalmazza a szövegszerkesztőt a program megírásához, az assemblert a megírt program lefordításához, és még szimulációra is lehetőséget ad. Továbbá maga a program ingyenesen hozzáférhető a cég honlapján (magánszemélyeknek). Maga a program beégetése egy ICD2 (In Circuit Debugger) égetővel történt a mikrovezérlőbe, ICSP (In-Circuit Serial Programming) csatlakozón keresztül, ami így lehetővé tette, hogy a mikrovezérlőt ne kelljen kiemelnem az áramkörből. 29. ábra: MPLAB fejlesztői környezet 39
Az MPLAB előnyei közé tartozik még, hogy a programból adhatjuk ki az égetési parancsot. Mivel az ICD2 t is a Microchip cég fejlesztette ki az MPLAB fejlesztői környezethez, így minden PIC mikrovezérlő típust kezelni tud. 6.2. A program megírásának lépései Első lépésként a nyomógombhoz és az állapotjelző ledhez létrehoztam egy nevet, mellyel a programban később hivatkozhatok. Ez a lednél a led, a nyomógombnál a g1 #define led PORTEbits.RE0 #define g1 PORTEbits.RE1 Mivel a jelfogó érzékelésnél sok azonos típusú adatot szeretnék eltárolni, a legegyszerűbb megoldás a tömbök használata. A tömbök segítségével egy memóriablokkban egymás után sok egyforma típusú értéket tárolhatok, az elemekhez pedig a tömb indexelésével férhetek hozzá. Szükségem van 7 darab 35 változót tartalmazó tömbre, mivel itt lesznek tárolva a jelfogó állapotok. Továbbá még segéd változókat is létrehozok. A tömb mérete persze növelhető, jelenleg ez a 35 változónak fenntartott hely, 70 ms-os mintavétel mellett, közel két és fél másodpercnyi időt képes tárolni. A tömb elemei unsigned char típusúak, és méretük 1byte. Így egy tömb mérete a memóriában 35 byte, összesen pedig 245 byte-ot foglal le a 7 tömb. unsigned char _1[35],_2[35],_3[35],_4[35],_5[35],_6[35],_7[35],i,j,k,c,stop; Következő lépésben beállítom a be- és kimeneteket, valamint azok alapállapotát, illetve az egyes port lábak alapállapotát. Mindezt egy Setup nevű függvényben, amire a főprogramban hivatkozhatok. A porta valamennyi lábát bementre állítom, hiszen ide csatlakozik a jelfogó érzékelés 6 csatornája, valamint a kristály két kivezetése. A portb PGD-PGC lábai bemenetek, a többi kimenet. A portc kimenet, mert itt csak az LCD modul vezérlő jelei kerültek bekötésre. A portd első két lábára a megmaradt két jelfogó érzékelés került, amik bemenetek, a többi kimenet. Végül a porte lábait állítom be, ahol a két nyomógomb található. void setup (void) TRISA = 0b11111111; //bemenet 40
TRISB = 0b00000011; TRISC = 0b00000000; TRISD = 0b00000011; TRISE = 0b00000110; //PGC,PGD bemenet //kimenet //kimenet, kivéve a két jelfogó érzékelés //kimenet, kivéve a két nyomógomb LATA = 0xFF; //kezdeti értékek megadása LATB = 0b00000011; LATC = 0; LATD = 0b00000011; LATE = 0b00000110; ADCON0 = 0; // A/D átalakítók kikapcsolása ADCON1 = 0b00001111; //ADCON1 regiszter alsó 4 bitjének digitálisra állítása HLVDCON = 0; OSCCON = 0xFF; // A modul kikapcsolása // Órajel beállítása 16 MHz-re Egy utasításciklus (= 4 órajelciklus) hossza függ az órajel frekvenciájától, vagyis: t utasítás = 4 / f órajel Így a 16 MHz-re beállított órajelnél 1 utasításciklus hossza: 250 ns. A késleltetések beállítása pedig a 7 csatorna beolvasásához: Delay10KTCYx(14); //35ms A főprogram elején, a megírt Setup függvény meghívása után a tömbök értékeit 0-ra állítom, hogy üres állapotban kerüljenek be az adatok. Az LCD modult pedig 4 bites módra váltom. void main( void ) setup(); for (i = 0; i == 34; i++) // tömbök feltöltése 0 értékre 41
_1[i]=0; _2[i]=0; _3[i]=0; _4[i]=0; _5[i]=0; _6[i]=0; _7[i]=0; OpenXLCD( FOUR_BIT & LINES_5X7 ); // 4 bites módra váltás Maga a csatornánkénti beolvasás, vagyis egy tömb feltöltése a következő függvénnyel valósult meg: if (PORTAbits.RA0 == 0) _1[i]=1; putrsxlcd("1"); else _1[i]=0; putrsxlcd("0"); Tehát, ha a porta 0-s lábának értéke 0, vagyis az adott jelfogó érintkezője zárt állapotban van, akkor a kijelzőn 1 -es érték jelenik meg. Így a tömbbe is 1 -es érték fog kerülni. Ellenkező esetben pedig 0 érték lesz eltárolva. Erre a fordítottságra a felhúzó ellenállások miatt volt szükség, mert az optocsatoló kimenete nyitott állapotban 0, zárt állapotban 1. A további 6 tömb feltöltése is ugyanígy zajlik le. A tömbök feltöltése addig tart, amíg a zavarjelző jelfogó állapota meg nem változik. Ezután kerülnek kiírásra lépésenként az adatok a tömbökből. if (_1[i] == 1) putrsxlcd("1"); else putrsxlcd("0"); A teljes programot a 4. számú mellékletben csatolom. 42
6.3. A készülék beüzemelése A dolgozat elkészültéig a készülék ténylegesen, a sorompószekrényekben nem került kipróbálásra. Elsősorban még további tesztüzemre van szükség, továbbá a hiányzó műszerdoboz miatt. A működést, és a jelfogó érzékelést egy egységvizsgáló állványon teszteltem le. A készülék tápcsatlakozójára 24V-ot adtam az áramkörnek, a kívánt két feszültség szint (+12V és +5V) a két feszültségszabályzó kimenetén mérhető volt. A jelfogók csatlakoztatása után az egységvizsgáló állványt is üzembe helyeztem, ami egy meghatározott áramkör kapcsolási sorrendjét szimulálta. Ezután indítottam el a mérést. Az LCD kijelzőn az adott csatornára kötött jelfogók állapota (húzott/ejtett) megjelent. Mivel a zavar jelfogó állapotváltozására áll le a mérés, jelen esetben ezt a kivezetést elegendő volt földponthoz érintenem. A mérés a várakozásoknak megfelelően le is állt. Az utolsó mért jelfogó állapotok a kijelzőn maradtak. A nyomógomb léptetésével pedig a tárolt állapotok a kijelzőn megjelentek. 6.4. A készülék működésének lépései A készülék bekapcsolását követően az LCD kijelző felső sorában megjelenik a 8 figyelt csatorna jelzése, valamint a MÉRÉS felirat jelzi, hogy készen áll a mérés indítására. 30. ábra: A készülék bekapcsolását követő kezdő felirat 43
A nyomógomb megnyomására a mérés elindul. A vörös LED folyamatos villogása jelzi, hogy mérési folyamat zajlik, illetve a kijelző alsó sorában az éppen aktuális jelfogó állapotok láthatóak. Ez a folyamat mindaddig tart, amíg a zavarjelző jelfogó állapota meg nem változik. Ha ez bekövetkezik, a mérés leáll. Ha a mérés leállt, a kijelző alsó sorában a tárolt adatok megjelennek. A nyomógomb megnyomásával pedig a jelfogónkénti 35 állapot léptethető egyesével. Így információt adva azok működéséről. 31. ábra: A mérés leállása után megjelenő jelfogó állapotok 44
7. Továbbfejlesztési lehetőségek Jelen dolgozat számos továbblépési lehetőséget biztosít akár a kezelő program, akár az áramkör felépítését tekintve. A kezelő program szempontjából lényeges lehet a felhasználóbarátabb kialakítás, mely például egy menürendszer megtervezését is magában foglalhatná. Persze elsősorban az áramkör átalakítása lehet lényeges szempont, akár a csatornák számának növelésével, vagy pedig a kialakításuk változtatásával. A csatornák számának növelésével az alkatrészlista is növekedni fog, így a nyomtatott áramköri panel mérete is, de a már megismert fotótechnikai nyomtatott áramkör készítéssel ezek a méretek is bizonyos határok közt tarthatóak. Az alkatrészek számának csökkentése megvalósítható lehet például, ha a jelenlegi 4n25 típusú optocsatolót egy viszonylag újabb típusra cserélném, ami már digitális kimenettel rendelkezik, így a mikrovezérlős csatlakozásnál már nincs szükség felhúzó ellenállásokra. Egy VO2630 típusú optocsatoló például több szempontból is megfelelő lehet, hiszen két csatornás be/kimenettel rendelkezik, és a kimenete is digitális, valamint a méretét tekintve is kevesebb helyet igényel. A tápellátás szempontjából a 12V-os analóg feszültségszabályzó, a magas teljesítményfelvétele miatt helyettesíthető akár egy kapcsolóüzemű DC-DC konverterrel is. De persze mindez főleg már anyagi kérdés. 45
Összefoglalás A szakdolgozatom elején ismertettem a vasúti biztosítóberendezéseknél széles körben alkalmazott XJ típusú biztonsági jelfogót. Feltártam a jelfogóknál leggyakrabban előforduló hibákat. Ebben nagy segítségemre volt az egység- és sorompójavító csoportok, valamint a vidéki, műszaki felügyeletet ellátó kollégák szakmai, gyakorlati ismerete. Megfogalmaztam azokat az alapvető tulajdonságokat, amiket egy új állapotrögzítő eszköznek tartalmaznia kell. Itt lényeges szempont volt az egyszerű kezelhetőség valamint, hogy a hibák akár már a helyszínen feltárhatóak legyenek. Az áramkör kialakításánál kénytelen voltam anyagi szempontokat is figyelembe venni, mivel mindenképpen szerettem volna egy teszt panelt elkészíteni. Így például lemondtam a lényegesen költségesebb digitális optocsatolók alkalmazásáról. de a jelenleg használt analóg optocsatolók is megfelelőek a működés szempontjából. A tervezés során még behatóbban megismerkedtem a Proteus áramkör és nyomtatott áramkör tervező programcsomaggal, melyben alkalmam volt új alkatrész létrehozására is. De utólag ezt az eszközt nem használtam fel, mert a cég honlapjáról letölthető volt a nyomtatott áramköri tervhez szükséges tokozás. A kivitelezés során megismertem a fotótechnikai nyomtatott áramkör készítés technikáját, ami lényegesen pontosabb eredményt ad, mint a vasalásos eljárás. Bonyolultabb és kicsit költségesebb, de az eredmény is szebb. Az alkatrészek beültetése után végül a teszteléshez szükséges vezérlő program megírása következett. Dolgozatomat kezdőlépésnek tekintem egy jövőbeni új adatrögzítő készülék megtervezésére és kivitelezésére, mely akár a jelfogók munkaérintkezőit (feszültség alatt levő) is regisztrálni képes. 46