X III K O N F E R E N C JA N A U K O W A
“ P O JA Z D Y S Z Y N O W E ’9 8 ”
ZN P O L IT E C H N IK I Ś L Ą S K IE J 1998 Seria: T R A N S P O R T z. 33, nr kol. 1394
M ie c z y sła w S T Y P K A G ra ż y n a B A R N A Z b ig n ie w O L E S Z E K
M IK R O PR O C ESO R O W Y UKŁAD STERO W ANIA NAGRZEW ANIEM I W EN TY LAC JĄ DLA M O D ER NIZO W AN EJ JED N O STK I EN57 (5Bu - 6Bu)
S treszczen ie. W a rty k u le zap rezen to w an o m ik ro p ro ce so ro w y układ stero w an ia o g rzew an iem i w e n ty la c ją d la m o d ern izo w an ej je d n o s tk i E N 57. O m ó w io n o budow ę sam eg o u k ła d u o g rz e w a n ia i w en ty lac ji po d kątem w y p ro w ad zen ia sy g n a łó w w e jśc io w y c h i w y jśc io w y c h . P rzed staw io n y a lg o ry tm stero w an ia i p o k ró tce o m ó w io n o historię je g o p o w stan ia. O p isan o b u d o w ę stero w n ik a o raz je g o o p ro g ram o w an ie. P rzed staw io n o
k o ń co w y e fek t p racy , k tó ry m je s t sp raw d zo n y i działający w w aru n k ach la b o ra to ry j
n y c h , sp ełn iający n o rm y k o lejo w e sterow nik.
M ICRO PRO CESSO R-BA SED DEVICE FOR CONTROLLING HEATING AN D V ENTILA TION FOR A M ODERNISED E.M.U. EN57
S u m m a ry . T h is p ap er p resen ts a m icro p ro c esso r-b ased d ev ice o f h eatin g and v e n tila tin g co n tro l for the m o d ern ized e.m .u. E N 57. T he co n stru ctio n o f the heatin g - an d -v en tilatio n sy stem o f th e m o d ern ized e.m .u. to g eth er w ith its is p resen ted , so to sh o w inputs and o u tp u ts o f the co n tro llin g device. T he alg o rith m o f o p e ra tin g is p re
sen ted as w ell as the h isto ry o f its d ev elo p m en t in short. T he h ard w are and so ftw are o f the d ev ice are d escrib ed . T he final re su lt - the co n tro llin g d ev ice tested in lab o rato ry and m eetin g the req u irem en ts o f rail stan d ard s, is presented.
1. W S T Ę P
W O śro d k u B a d a w c z o -R o z w o jo w y m P o jazd ó w S zynow ych w P o zn an iu zo stał z a p ro jek to w a n y i w y k o n an y m ik ro p ro ce so ro w y stero w n ik ty p u C R sterujący o g rz e w a n ie m i w en ty la c ją p o ja z d ó w trak cy jn y ch . Jego w ersja C R -0 1 , będąca p rzed m io tem a ty k u łu , p rz e z n a c z o n a je s t do ste ro w a n ia o g rz e w a n ie m i w e n ty la c ją m o d ern izo w an eg o e.z.t. E N 5 7 z n ag rze-w n icą ty p u 9N K . S tero w n ik ty p u C R je s t je d n a k stero w n ik iem u n iw ersaln y m - po zm ian ie o p ro
238 M . Stypka, G. B arna i inni
g ra m o w a n ia m o ż e zo stać zasto so w an y do stero w an ia o g rzew an iem i w e n ty la c ją n a innych po jazd a ch trak cy jn y ch .
2. B U D O W A U K Ł A D U N A G R Z E W A N IA I W E N T Y L A C JI
W o b e c n ie ek sp lo a to w a n y c h e.z.t. E N 57 z w ag o n am i 5 B -6 B stosuje się układy ogrzew ania k o n w e k c y jn e g o z o g rzew aczam i elek try czn y m i. W en ty lacja je s t d o k o n y w an a p o p rzez w y w ietrzn ik i d ach o w e i o p u szczan e okna. W ram ach m odernizacji tró jczło n ó w 5 B -6 B dokonano zm ian y ty c h u k ła d ó w o g rz e w a n ia i w en ty lac ji na elek try czn e o g rzew an ie naw iew ne. Tak z m ien io n e czło n y o zn aczo n o sy m b o lem 5 B u -6 B u .
U k ład o g rz e w a n ia n aw iew n eg o je s t je d n o k a n a ło w y , p o w ietrze ro zp ro w ad zan e je s t w p o d ło d ze w ag o n u , w y lo ty p o w ietrza z n a jd u ją się p od siedzeniam i. W ścianie b o czn ej, granic- złcej z k a n a łe m , z n a jd u ją się dw ie p rzep u stn ice, u m o żliw iające d w u sto p n io w e otw o rzen ie lub o d ciec ie d o p ły w u p o w ie trz a z zew nątrz. Pod p rzep u stn ic am i, na p o d w o ziu zn ajd u je się agre
g at n a g rz e w n ic y p o w ietrza, k tó reg o n ajw ażn iejsze elem en ty to n ag rzew n ica elek try czn a typu 9 N K o m o c y 22 kW i n ap ięc iu zasilan ia 3000 V D C o raz w e n ty lato r z silnikiem p rąd u stałego
110 V D C.
P o w ietrze (p o w ro tn e lub po w ro tn e w y m ieszan e ze św ieży m ) zasysane je s t p rz e z w en ty la
tor. a n a stę p n ie tło c z o n e do n ag rzew n icy elektrycznej i dalej do kanałów , z k tó ry ch w y p ły w a p rz e z w y lo ty p o d sied zen iam i w przedziłach, Z przed ziałó w p o w ietrze p rzep ły w a do p rzed sio n k ó w , z p rz e d s io n k ó w zaoe na zew n ątrz p rzez w y w ietrzn ik i dachow e.
3. A L G O R Y T M S T E R O W A N IA
N a b a z ie p rac p ro w a d z o n y c h w O B R P S [1], [2], [3] p o w stał alg o ry tm n o w o czesn eg o ste
ro w a n ia o g rz e w a n ie m n a w ie w n y m i w en ty lac ją. A lg o ry tm tak ieg o stero w an ia zam ieszczono poniżej w ta b e li 1. W tab eli tej z n a jd u ją się a lg o ry tm y stero w an ia dla ja z d y (pow yżej p o dw ójnej lin ii) i d la p o sto ju (poniżej p odw ójnej linii).
O z n aczen ia d la s y g n a łó w w ejścio w y ch :
• W N w y so k ie nap ięcie,
• T Z te m p e ra tu ra zew n ętrzn a,
• T W te m p e ra tu ra w przed ziale,
• T K te m p e ra tu ra w kanale,
• D u o sta t - urząd zen ie, k tó re u trzy m u je tem p eratu rę w w y b ran y m m iejscu w funkcji te m p e ra tu ry z e w n ętrzn ej, m oże b y ć realizo w an e sprzętow o lub p rogram ow o.
O z n a c z e n ia d la sy g n a łó w w y jścio w y ch :
• W e n ty la to r (S W ) 0 - w y łą c z o n y , 1 - załączony.
• N a g rz e w n ic a (S N 1) 0 - w y łączo n a, 1 - załączona.
• P rz e p u stn ic e ( P r z l,P r z 2 ) 0 - zam k n ięte (stan b ezn ap ięcio w y ), 1 - o tw arte (pod n ap ięc iem ).
M ik ro p ro c e so ro w y układ ste ro w a n ia n ag rzew an iem i w entylacji. 239
Is to tą a lg o ry tm u d la stan u ja z d y je s t u trz y m y w a n ie w przed ziale te m p e ra tu ry w zakresie 19..23°C . D la te m p e ra tu ry zew n ętrzn ej m niejszej od 20°C zad an ie to re a liz o w a n e je s t w p o d an y p o n iżej sposób:
Jeżeli te m p e ra tu ra ta je s t m n ie js z a od 19°C, realizo w an e je s t ro z g rzew an ie (n a g rzew n ica je st załączona). Jeżeli te m p e ra tu ra zn ajd u je się w przed ziale 19..23°C , re a liz o w a n e je s t d o g rzew a
nie. P o leg a o n o na stero w an iu n a g rz e w n ic ą w ed łu g funkcji duostatu.
T abela 1 A lg o ry tm n o w o czesn eg o stero w an ia o g rzew an iem , n aw iew em
i w e n ty la c ją
S y g n a ły w e jścio w e S y g n a ły w y jśc io w e U w ag i
W N T Z [°C] T W [°C] D
uo
st at
T K [°C]
w en ty lator
SW
przep u st- nica P rz l,P rz 2
n a g rze
w nica SN1
20 0 10 19 23 20 1/2 1/2
1 0 0 - 0 0 - - 1 0 0 1 ro zg rzew a
nie
1 0 0 - 1 0 1/0 - 1 1 0 1/0 d o g rzew a
nie
1 0 0 - 1 1 - 1/0 1 1 0 1/0 p rz e w ie
trzanie
1 0 1 - 0 0 - - 1 0 0 1 ro zg rzew a
nie
1 0 1 - 1 0 1/0 - 1 1 1 1/0 d o g rz e w a
nie
1 0 1 - 1 1 - 1/0 1 1 1 1/0 p rz e w ie
trzanie
1 1 1 - 0 0 - - 0 0 0 0 w y łączo n y
1 1 1 - 1 0 - - 0 0 0 0 w y łączo n y
1 1 1 - 1 1 - - 1 1 1 0 w en ty lacja
1 - - 0 - - - - 1 0 0 1 p o d g rz e
w anie
1 - - 1 - - - - 0 0 0 0 w y łączo n y
F u n k c ja d u o sta tu z o stała zrealizo w an a p ro g ram o w o na p o d staw ie w y k re su z a m ieszczo n e
go w o p ra c o w a n iu [2j. W y k res stanow i p ro sta o rów naniu:
240 M. Stypka, G. B a m a i inni
t , = --- / . + 4 5 , L g (-2 0 °C ..+ 2 0 °C ) (1)
* 2 0 ‘ z
g dzie: tfc - n a sta w a re g u la to ra tem p eratu ry w kanale, t z - te m p e ra tu ra zew nętrzna.
T e m p e ra tu ra p o w ie trz a w k an ale u trzy m y w an a je s t na p o zio m ie w y zn aczo n y m p rzez funk
cję d u o statu . F u n k c ja ta u zale żn ia w arto ść tej tem p eratu ry od tem p eratu ry zew nętrznej. Im n iższa je s t te m p e ra tu ra zew n ętrzn a, ty m w y ższa je s t tem p eratu ra w kanale. N a g rz e w n ic a jest załączan a, g dy w arto ść tem p eratu ry w k anale spadnie poniżej w artości w yznaczonej przez fu n k cję d u o sta tu , a w y łą c z a n a , gdy w artość tem peratury w k anale p rzekroczy w arto ść w y zn a
c z o n ą p rz e z fu n k c ję d u o statu .
Jeżeli te m p e ra tu ra w p rzed ziale p rzek racza 2 3°C , to realizow ane je s t przew ietrzan ie, pod
czas k tó reg o w arto ść tem p eratu ry w k anale u trzy m y w an a je s t n a p o zio m ic 20°C . W zależno
ści o d w a rto śc i tem p eratu ry zew nętrznej o tw arta je s t inna liczba p rzepustnic. D la tem peratur) o to cze n ia p rzek raczającej 2 0 °C , w zależności od tem p eratu ry w ew nętrznej układ m oże znaj
d o w ać się w stan ie w y łą c z e n ia lub realizo w ać w en ty lac ję. Is to tą a lg o ry tm u d la p o sto ju je st u trz y m y w a n ie w p rz e d z ia le tem p eratu ry 10°C. W zależności od w y so k o ści tej tem peratury n ag rzew n ica je s t o d p o w ie d n io załą czan a lub w y łączana.
A lg o ry tm s te ro w a n ia za w ie ra ró w n ież p o d p ro g ram stero w an ia p rzed sio n k am i. D la grzania p rz e d sio n k ó w sy g n a łe m w e jśc io w y m a n alo g o w y m b ędzie T P (czu jn ik tem peratury w p rzed sio n k u ). S y g n ałam i w ejścio w y m i cy fro w y m i będą:
1 10V J - sy g n a ł „g rzan ie w czasie ja z d y ” , 1 10V P - s y g n a ł „g rzan ie p o sto jo w e ” , 1 10W N - o b ecn o ść W N .
S y g n a łe m w y jśc io w y m będzie SN 2 (załączenie g rzejn ik ó w elek try czn y ch ).
D la stan u „g rzan ie w czasie ja z d y ” stero w n ik p o w in ien u trzy m y w ać tem p eratu rę 17°C, a d la stan u „g rz a n ie p o sto jo w e ” tem p eratu rę 10°C.
P ro g ra m steru jąc y n ap isan y został w ję z y k u ase m b le r d la m ik ro p ro ce so ra 80535.
S c h em at b lo k o w y stero w n ik a d la w ag o n ó w 5B u realizu jąceg o te n alg o ry tm p rzed staw ień ) je s t na r y s . l .
O g ó ln ie d z ia ła n ie stero w n ik a CR-01 w ed łu g alg o ry tm u p rzed staw io n eg o w y żej m o żn a w sk ró cie o p isa ć n astęp u jąco : S tero w n ik o trzy m u je p o d staw o w e in fo rm acje o czte rech w ar
to ściach te m p e ra tu r p o w ietrza, tj. tem p eratu ry zew nętrznej TZ, tem p eratu ry w przed ziale TW . te m p e ra tu ry w k an ale T K o raz tem p eratu ry w p rzed sio n k u TP.
M ikroprocesorow y u k ład ste ro w a n ia n ag rzew an iem i w en ty lacji. 241
R y s .l. S c h e m a t b lo k o w y s t e r o w n i k a d l a w a g o n ó w 5 B u F ig. I . B lo c k d i a g r a m e o f t h e c o n t r o l l e r f o r th e v e h i c le s 5 B u
D odatkow o w y m a g a n e s ą sy g n ały z n astaw n ik a ja z d y in fo rm u jące o try b ie g rzan ia (grzanie postojow e lu b w c zasie ja z d y ), o d p o w ied n io 110 V P i 110 V J, sy g n ał C P P z czu jn ik a przepływ u p o w ie trz a u m iesz c z o n e g o w k an ale, sy g n ał W SS zza w y łą c z n ik a siln ik a w e n ty la tora o raz sy g n a ł 110 W N n io sący in fo rm ac je o obecności w y so k ieg o n ap ię c ia 30 0 0 V. A by realizow ać ste ro w a n ie n a g rz e w a n ie m i w en ty lac ją, stero w n ik w y tw arza sy g n a ł SN1 z ałą cza
jący i w y łą c z a ją c y n a g rz e w n ic ę , s y g n a ł SW załączający i w y łączający siln ik ele k try c z n y , sy g nały P r z l i P rz2 o tw ie ra ją c e i z a m y k a jące p rzep u stn ic e o raz sy g n a ł SN 2 załą czający i w y łą czający g rzejn ik i ele k try c z n e w p rzed sio n k ach . S terow nik zasilan y je s t z n ap ięc ia + 2 4 V.
Oprócz te g o d o p ro w a d z o n e p o w in n o b y ć do n ieg o n ap ięc ie 110 V do ste ro w a n ia układów w yjściow ych. D o u k ład u d o p ro w ad zo n a te ż będzie m asa z asilan ia d la n a p ię c ia + 2 4 V i m asa zasilania d la n ap ię c ia 110 V.
4. B U D O W A U K Ł A D U S T E R O W A N IA
S tero w n ik zb u d o w a n y je s t z 2 p ły te k d ru k o w a n y c h u m ieszczo n y ch w g o to w ej o budow ie typu O U1 03 p ro d u k c ji firm y „ P O L O N ” z Z ielonej G ó ry . Jed n a p ły tk a za w ie ra m o d u ł z m i
k ro p ro ceso rem 80535 p o sia d a ją c y m p rzetw o rn ik A /C (tj. m in im o d u ł M M -5 3 5 firm y WG E L E C T R O N IC ) o ra z u k ład y w ejścio w e an alo g o w e i cy fro w e. D o układ u w ejść an alo g o w y ch p o d łączo n e s ą sy g n a ły w ejścio w e z p rzetw o rn ik ó w tem p eratu ry (4 ..2 0 m A ). U k ład zap ew n ia przetw o rzen ie sy g n a łó w p rą d o w y c h na n ap ięc io w e i filtrację zakłóceń. D o u k ład u w ejść cy
242 M . S ty p k a, G. B arna i inni
fro w y ch p o d łą c z o n e s ą sy g n a ły w ejścio w e dw u stan o w e: trzy sy g n ały na p o zio m ie 24 V D C i dw a sy g n a ły na p o z io m ie 110V D C.
D ru g a p ły tk a z a w ie ra u k ład y w y jśc io w e p rzetw arzające sy g n ał steru jący 5 V n a poziom 110 V D C . U k ład za w ie ra p ięć takich torów .
S y g n ały w e jśc io w e , w y jśc io w e i zasilające u kładu stero w an ia o ra z cz u jn ik ó w i styków p o m o c n ic z y c h d o p ro w a d z o n e są na d w a g n iazd a W sz -1 1 ( G 1 i G 2). G n iazd a te u m ieszczone s ą na czo ło w ej p ły c ie o b u d o w y sterow nika.
5. P O D S U M O W A N IE
S tero w n ik C R zo stał w y k o n an y w O B R P S i działa w w aru n k ach lab o rato ry jn y ch . Z ostał p rz e te sto w a n y n a sy m u la to rz e , sp ecjaln ie w y k o n an y m do tego celu. S y m u lato r taki sk 3ada się z części w ejścio w ej i części w y jścio w ej. C zęść w e jścio w a sk ład a się z pięciu p rz ełączn ik ó w d w u p o z y c y jn y c h u m o żliw iający ch p o d aw an ie n a w ejścia cy fro w e sterow nika dw óch n ap ięć 24 V D C i trzech n apięć 110 V D C o ra z z czte rech p o te n c jo m e tró w sy m u lu ją c y c h p rz e tw o rn ik i tem p eratu ry , u m o żliw iający ch p o d an ie na w e jśc ia analogow e
ste ro w n ik ó w p rą d ó w z zak resu 4 ...2 0 m A . C zęść w y jścio w a sk ład a się z p ię c iu przek aźn ik ó w R 15 z a stę p u ją c y c h u rząd zen ia stero w an e p rzez stero w n ik o raz dio d św iecący ch sterow anych po p rzez styki p o m o c n ic z e p rzek ałn ik ó w , in fo rm u jący ch o ich stanie.
B ad an ie u k ła d u ste ro w n ik a p o leg ało na zadaniu w szy stk ich k o m b in acji sy g n a łó w w ej
śc io w y c h i p o ró w n a n ia s y g n a łó w w y jścio w y ch , czyli odpow iedzi u k ład u z p rzew id y w an y m i stanam i.
S tero w n ik zo stał w y k o n an y tak, by spełniał norm y kolejow e:
P N -8 3 /E -0 6 1 2 2 . „P o jazd y trak cy jn e. W y p o sażen ie elektroniczne. P rzep isy o g ó ln e ” . P N -9 2 /E -0 8 1 0 6 . "S to p n ie o ch ro n y zap ew n ian e przez o b u d o w y .(K o d IP )" ’
P N -6 9 /E -0 6 1 2 0 . „ P o ja z d y trak cy jn e. A paraty elek try czn e prądu stałego. O g ó ln e w y m ag an ia i b ad a n ia ” .
L IT E R A T U R A
1. O p ra c o w a n ie p ro je k tu w stęp n eg o układ u elek try czn eg o , układu ste ro w a n ia i autom atyki ty p A W N d la d w u k a n a ło w e g o o g rzew an ia n aw iew n eg o typu AN w k o le jo w y c h w agonach o so b o w y ch . P raca zb io ro w a. O p raco w an ie In sty tu tu E lek tro tech n ik i, 1974.
2. O leszek Z ., P erek T.: O k reślen ie n ajn o w szy ch tendencji oew iatow ych w zak resie o g rze
w a n ia i w e n ty la c ji E Z T i w y b ó r koncepcji dla 12W E. O p raco w an ie O B R P S Poznań.
12W E 0 0 1 0 0 1 -1 , 1992.
3. O leszek Z ., P erek T.: O g rzew an ie i w en ty lac ja w a g o n ó w elek try czn eg o zesp o łu trak cy jn e g o 5 B u /6 B u . O p raco w an ie O B R P S P oznań, 5B u 0 0 1 0 0 2 -1 , 1996.
M ikroprocesorow y u k ład ste ro w a n ia n ag rzew an iem i w entylacji. 243
4. Bama G ., S ty p k a M .: Z a ło ż e n ia tech n iczn e i p ro jek t tech n iczn y u k ład u ste ro w a n ia o g rze
waniem i w e n ty la c ją ty p u C R d la m o d ern izo w an eg o e.z.t. E N 57 z n a g rz e w n ic ą ty p u 9N K.
O pracow anie O B R P S P o zn ań , O R -7 9 4 4 , 1997.
R ecenzent: D r hab.inż. Jan u sz D yduch Prof. P o litech n ik i Śląskiej
A b stra c t
This p ap er p re se n ts a m icro p ro c e sso r b ased c o n tro ller fo r h e atin g and v e n tila tio n fo r the m odernized e.m .u . E N 5 7 . T he m ain p art o f the c o n tro ller is a m o d u le co n ta in in g a 80535 m i
crocontroller fe atu rin g an A /D co n v erter an d an alo g and d ig ital inputs. T h e co n tro ller, using nine input sig n a ls - fo u r a n a lo g and five b in ary o n es - gen erates five b in ary o u tp u t signals (110 VDC), w h ic h co n tro l h eatin g an d v e n tilatio n d ev ice s o f the e.m .u ., a cco rd in g to the alghoritm im p le m e n te d . A c o n tro llin g p ro g ram is w ritten in a sse m b le r language. A ll the input, o utput and su p p ly sig n a ls are co n n ected to tw o so ck ets ( o f W s z - 1 1 ty p e), lo cated on th e front panel of the c o n tro lle r h o u sin g . T h e m icro p ro c e sso r c o n tro ller is one o f the elem en ts o f the heating and v e n tila tio n sy stem , w h ich co n tain s also tw o co n tro lled th ro ttle s, an air h e a te r and a fan.
