МИКРОПРОЦЕСОРНО УПРАВЛЕНИЕ И КОНТРОЛ НА СИГНАЛИ

***брой 6 “Железопътен транспорт” , 2018 г.***

Светодиодните лампи са енергийно ефективни, екологични и предлагат разнообразие от цветове. Характеризират се с   икономичност и имат до 100 пъти по-дълъг период на експлоатация от класическите лампи с нажежаем жичка. Светодиодите са екологични чист продукт – не съдържат газ, живак или други вредни съставки. Светодиодите навлизат масово в осветителната техника, променят традиционните представи за светлинни източници, като разкриват нови възможности за реализация в специфични сфери като сигнализация в ЖП транспорта. За тези цели е необходимо техните работни параметри да се управляват безопасно и контролират прецизно.

 МУКС е модул за микропроцесорно управление и контрол на сигнали в ЖП транспорта (фигура 1). Проектиран е по изискванията на ТС ЖИ-002-2005 за приложение в автоматични прелезни устройства АПУ. Предвиден е за работа със светодиодни /LED/ модули използвани за шосейна сигнализация. Предназначен е за безконтактна честотно-импулсна обвръзка с контролер в нови компютърни АПУ или при надграждане на релейни системи за работа със светодиодни /LED/ шосейни сигнали. Модул МУКС представлява платка с конектор по стандартФигура 1 Модул МУКС

DIN 41612 Type C96 със следните основни технически параметри:

• Размери на платката 160 мм х 100 мм.
• Микропроцесор PIC 18 с тактова честота 40MHz.
• Захранващо напрежение 24V DC.
• Два изолирани цифрови входа 24V DC.
• Два изхода за мигащи напрежения до 1А.
• Четири силови изхода за контрол и управление 24V DC / 5 A.
• Два контролни релейни изхода – неизправност и повреда 24V DC / 1 A.
• Вътрешен кондензаторен дешифратор за следене на работоспособността.
• Високоотговорен изход от кондензаторен дешифратор 24V DC / 20 mA.
• Аналогов модул за измерване на напрежение до 30V DC.
• Аналогов модул за измерване на ток до 5A DC.
• Конфигурационен микро превключвател SW1 за 32 режима.
• Два LED индикатора на състоянието.
• Маса 0.25 кг.

Модулът е техническо средство изградено на принципа на квазибезопасност (квази fail-safe) – настъпилите във вътрешната му структура неизправности се разпознават и посредством изключващо устройство се осъществява преход към защитно състояние (фиг 2). Изправността на модулът се следи софтуерно от процесора, като се извършва начален и цикличен тест за работоспособност на модула. Преходът към защитно състояние се осъществява от кондензаторен дешифратор (КД1) управляващ силово реле, което изключва силовата верига на изходите към LED сигналите.

Фигура 2 Блокова схема на МУКС

Модулът се управлява от безопасен контролер посредством импулсно кодирано управляващо въздействие. При управление на високоотговорен (разрешителен) сигнал е предвидена допълнителна възможност за повишаване на безопасността, посредством потвърждение от безопасен контролер. Тогава работна верига на модула се захранва от изход „Безопасно разрешение“ – безопасен силов изход на логическия контролер.

Настройката на модула за съответния режим на работа се задава статично, посредством микропревключвателя (SW1, фиг. 3). Състоянието на микропревключвателя за програмиране се прочита и запомня еднократно при началната инициализация на модула.

Фигура 3 Микропревключвател за режимите на МУКС

За всеки режим на работа на модула са възможни четири подрежима. Подрежимите на работа на модула се задават динамично, посредством управляващо въздействие от външно устройство – контролер.

Задаването на подрежима се извършва с пакет импулси с продължителност 1 сек., съдържащ съответния брой импулси. Броя на импулсите нараства с нарастване на отговорността на показанието. На фигура 4 е дадена реална време диаграма на управляващо въздействие генерирано от контролер – виждат се две групи по четири импулса, съответстващи на подрежим 4.

Фигура 4 Време диаграма на управляващи импулси

Контролът на светенето се осъществява посредством динамично отчитане на консумираната мощност и сравняване с предварително зададени параметри за съответния тип LED модул.

Фигура 5 Обща схема на модул CVE-LED

Вътрешната структура на типичен LED модул е показана на фигура 5. Интегрален LED драйвер (импулсен стабилизатор на ток) управлява 3 светодиода свързани последователно, като осигурява захранването им с константен ток. При вариране на входното напрежение консумирания от LED драйвера ток се променя, като се запазва константна консумираната мощност.

Светодиодите притежават не симетричен отказ – могат да прекъснат или да пробият, без да излъчват светлина. Следенето на консумираната мощност дава възможност да бъдат разпознати и двата отказа. При прекъсване на светодиод, токът във веригата прекъсва и консумацията на модула клони към нула, коeто е явен признак за неосветеност на LED модула. При пробив на един светодиод другите продължават да светят но консумацията на модула намалява с 1/3, което означава, че LED модулът остава осветен, но с занижени параметри, които се разпознават от управляващият модул.

Модулът контролира наличие на късо съединение в каналите за управление. При регистрация на късо съединение се приема, че LED модулът не свети.

Формирането на информацията за светене на LED модула е динамично, според аналогово отчитани величини (ток и напрежение към LED модула), където се следи определен интервал в който се генерира кодирана променлива към декодера.

За високоотговорна обратна връзка на МУКС към контролер е реализиран първокласен изход, който е изграден от безопасен при повреда декодер на еднофазно кодирана логическа променлива (КД2). Кодирането на променливата се извършва динамично от програмата в CPU на модула.

Фигура 6 Принципна схема на кондензаторен дешифратор КД2 в МУКС

Декодирането на еднофазно кодираната логическа променлива се осъществява от импулсен дешифратор с безиндуктивни компоненти, известен като транзисторен кондензаторен дешифратор. Приложената схема има свойството да обръща поляритета на захранващото напрежение – в случая през D6, върху C7 се получава негативно напрежение (-24V), поради което C7 е свързан с + към маса. Това свойство е важно за безопасността на схемата, тъй като създава критерии за повреда. Разпознаването на критерия за повреда е реализирано с поляризован елемент – DC/DC конвертор DC2, който притежава галванично разделяне между входа и изхода.

Неработоспособност на програмата или повреда в декодера водят до защитно състояние на изхода, което представлява липса на напрежение.

За индикацията на състоянията на модула се използват два светодиода монтирани на фронталния панел, които светят и мигат с различна честота. Модулът подава индивидуална индикация за състоянието на всеки канал, както и обща индикация за състоянието и режима на работа.

Съществуващите лампови решения за ППС при АПУ работят в постояннотоков режим и са ограничени до 7W, вследствие на загубите в дългите (над 1000 м.) сигнални кабели между апаратурата и сигнала.

Фигура 7 Обвръзка на МУКС с LED модул за ППС

За реализиране на управление и контрол на 18W LED модул в ППС (Фигура 7) с минимални загубите се използва променливо напрежение 220V. Модул МУКС извършва двуканално преобразуване на постоянното захранващо напрежение в променливо, което посредством повишаващ трансформатор (Тр. 1) се подава към ППС. В ППС LED модулът се захранва посредством понижаващ трансформатор (Тр. 2).

Преобразуването на постоянното захранващо напрежение в променливо се осъществява от модул МУКС по два хардуерни канала (безконтактен ключ А и В) управлявани от две независими програми в CPU, като повишаващият трансформатор (Тр. 1) играе роля на безопасен компаратор на резултата от работата на двете програми. Предвидена е допълнителна възможност контролерът да следи фактическо състояние на изхода на модул МУКС посредством трансформаторна обратна връзка (Тр. 3). По този начин се гарантира високо ниво на безопасност в интерфейса, подходящо за управление и контрол на влакови сигнали – в случая ППС.

Подхода за постигане на безопасност, приложен при създаването на МУКС е познат, като „Стратегия на перфектност“. В процеса на разработка е приложен опит и ноу-хау натрупани през последните 10 години при разработката, производството и експлоатацията на микропроцесорни управляващи модули за лампови сигнали използвани в релейни АПУ.