FI-IM5/010 - Vývoj nového řešení počítače náprav pro detekci kolej. voz. pro rychlosti do 300 km/hod.

Firma Trakce, jako dlouholetý dodavatel technologií v železniční přepravě, se na základě dosavadních zkušeností rozhodla investovat do vývoje počítače náprav, který by bylo možno provozovat na všech typech tratí. Od roku 2003 firma dodává počítač náprav typ PN-02, který je však určen pro tratě s vyloučením osobní přepravy do rychlosti 80 km.h-1. Právě několikaleté zkušenosti z vývoje a provozu typu PN-02 zúročila firma v nově vyvíjeném zařízení. Vývoj probíhal ve spolupráci s FEI VŠB-TU Ostrava.

Počítače náprav slouží v železniční dopravě k indikaci obsazenosti daného úseku trati drážním vozidlem. Hlavní princip spočívá v tom, že na začátku a na konci úseku je kolejový snímač počítače náprav. Jeho úkolem je počítat nápravy, které do úseku vjely, a které z něj vyjely. Pokud se zjistí, že tyto dvě veličiny nabyly stejné hodnoty, pak celkový počet náprav v úseku je roven nule, je zřejmé, že se v úseku nenachází žádné drážní vozidlo a tento úsek je volný. Kolejové úseky mohou být ohraničeny dvěma nebo více kolejovými snímači, přičemž jeden snímač může být součástí i dvou sousedních kolejových úseků, pokud je umístěn na jejich hranici.

Bezpečné výstupy počítače náprav slouží přímo k vazbě na navazující zabezpečovací zařízení. Typickým příkladem využití počítače náprav je např. automatické spouštění přejezdového zabezpečovacího zařízení jízdou vlaku. Celý systém je vyvinut pro úroveň bezpečnosti SIL4 dle ČSN EN 60508 v konfiguraci dva ze dvou.

 

HLAVNÍ PRINCIP FUNKCE VYVÍJENÉHO KOLEJOVÉHO SNÍMAČE

Stěžejním prvkem, který zásadním způsobem ovlivňuje vlastnosti počítače náprav, je konstrukce kolejového snímače a následných elektronických obvodů, jež zpracovávají signály, které ze snímače vystupují. Kolejový snímač vyvíjeného počítače náprav funguje na transformátorovém principu. Skládá se ze tří cívek, z vysílací a dvou přijímacích. Vysílací cívka má feritové jádro a je umístěna uprostřed kolejového snímače rovnoběžně s kolejnicí a napájí se harmonickým signálem s kmitočtem 250 kHz. Přijímací cívky jsou vzduchové a jejich umístění je po stranách kolejového snímače.

Pokud se v blízkosti kolejového snímače nenachází železniční kolo, je magnetické pole stejné po obou stranách snímače. V tomto případě se v přijímacích cívkách indukuje stejné napětí. Při přibližování kola ke kolejovému snímači dochází k částečné deformaci magnetického pole a napětí v přijímacích cívkách se změní. V okamžiku průjezdu kola nad snímačem dochází ke snížení napětí indukovaného v první cívce. Pokud se kolo nachází uprostřed kolejového snímače, jsou obě napětí stejná, ovšem menší, než v době, kdy se kolo nenachází v blízkosti kolejového snímače. Když přejede kolo za druhou polovinu snímače, nastává opačná situace, kdy dochází ke snížení napětí indukovaného v druhé přijímací cívce. Průběhy takto modulovaného napětí jsou zřejmé z obrázku 1. Z výše uvedeného lze zjistit směr pohybu kola, dále pak jestli kolo nad snímačem zastavilo, případně zastavilo a rozjelo opačným směrem. Součástí vývoje bylo i zjištění optimálního prostorového uspořádání cívek.

 

Obr. 1: Průběhy napětí (červeně, modře) přijímacími cívkami a průběh proudu vysílací cívkou při průjezdu kola.

 

VYHODNOCENÍ SIGNÁLU POMOCÍ FPGA

 

Obr. 2: Blokové schéma jednoho kanálu převodníku. 

 

Na rozdíl od stávajících počítačů náprav vyráběných firmou Trakce, a.s. má tento počítač náprav fungovat při mnohem vyšších rychlostech (až 300 km.h-1), což přináší jisté problémy s vyhodnocením signálu. Důležitý je odstup užitečného signálu od šumu a různých rušivých signálů. Velmi nepříznivým rušivým jevem je napětí indukované atmosférickými jevy (bleskem), přechodovými ději v trolejovém vedení případně v drážních vozidlech. Amplituda rušivého napětí od blesku může být srovnatelná nebo i vyšší než běžné napětí za provozu a doba trvání takového impulzu řádově desetiny ms. V případě, kdy byl snímač navržen pouze pro nižší rychlosti, řešilo se odstranění atmosférického rušení pouhým vyfiltrováním usměrněného signálu z přijímací cívky. Krátký rušivý impulz se tak neprojevil. Ovšem při rychlosti 300 km.h-1 trvá průjezd kola nad snímačem přibližně 1 ms. Tento čas je již blízký době trvání atmosférického rušení, proto bylo nutné najít nový způsob vyhodnocení signálu z přijímacích cívek.

Řešení jsme nalezli přímo v číslicovém zpracování střídavého modulovaného signálu ze snímačů. Střídavý signál z cívek je vzorkován pomocí A/D převodníků a následně číslicově zpracován v programovatelném hradlovém poli FPGA (Field Programmable Gate Array). Signálový datový tok získaný z převodníků je digitálně filtrován, demodulován a výsledná data jsou komparována s hodnotou rozhodovací úrovně v registru, který určuje, je-li kolo najeté na snímači. Výsledkem komparace je již logická hodnota přiváděná na vstup stavového automatu, který řídí mechanismus vyhodnocování čítání kola a vyhodnocení směru. Výstupní stavy z hradlového pole jsou dále zpracovány mikrokontrolerem ARM a pomocí modemového obvodu odesílány do řídicího systému. Blokové schéma zpracování signálu je zobrazeno na obrázku 2. Třetí A/D převodník je kontrolní pro monitorování budicího napětí.

Jako výchozí platforma pro implementaci číslicového systému byl vybrán programovatelný logický obvod FPGA firmy Xilinx, řady Spartan-3A typu XC3S200A. Tento obvod obsahuje 200 tisíc systémových hradel na čipu, 288Kbitů blokové RAM paměti a specifické bloky pro číslicové zpracování signálů. Obvod má 68 uživatelských vstupů/výstupů. Svým výkonem a kapacitou postačuje pro vykonávání výše uvedené úlohy v počítači náprav, přičemž ještě část kapacity zbývá.

 

ZÁVĚR

Konstruktérům firmy Trakce, a.s. a VŠB-TU Ostrava se podařilo ověřit, že přímé zpracování modulovaného signálu ze snímače v reálném čase pomocí hradlového pole FPGA je správnou cestou. Řešení bylo ověřeno v provozu a dosavadní výsledky jsou obrovským příslibem pro další práci na vývoji v oblasti zabezpečovací techniky. Bylo dosaženo řešení, které díky minimalizaci analogových prvků, vyniká vysokou odolností proti rušení, provozní stabilitou a nízkým teplotním driftem.

Tento projekt je realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu. Za podporu tvůrci děkují.

Další dokumenty:

PN300 Prezentace