Universitatea Politehnica Bucureşti Facultatea Transporturi Catedra Telecomenzi si Electronică in Transporturi

Sisteme de Dirijare a Traficului Feroviar -proiect-

Popescu Mihai-Nicolae Grupa 8414

Continut

1.Blocul de linie automat

2.Schema bloc

3.Blocul de alimentare

4.Blocul de detectie

5.Blocul de comanda

6.Solutii alese

7.Fiabilitate

8.Bibliografie

1.Blocul de linie automat

Blocul de linie automat (BLA) asigura controlul circulatiei trenurilor In linie curenta. Trenul, prin prezenta sa in linie, isi realizeaza protectia, in comanda automata a indicatiilor semnalelor luminoase. BLA permite marirea densitatii de circulatie In linie curenta, prin realizarea celui mai mic interval de spatiu la care se urmaresc doua trenuri. Acest interval este denumit sector de bloc si reprezinta portiunea de linie curenta cuprinsa Intre doua semnale de bloc consecutive.

Legatura dintre tren si semnalele luminoase se realizeaza In mod continuu, cu ajutorul circuitelor de cale amplasate pe sectoarele de bloc. BLA de pe reteaua CFR are semnale cu trei indicatii luminoase(verde, galben, rosu) iar fiecare semnal de bloc reprezinta prevestitorul celui urmator. Ultimul semnal de bloc care se afla In fata semnalului de intrare In statie, este si prevestitorul acestuia.

In functie de liniile pe care se monteaza, BLA poate fi:

• pentru cale dubla cu un singur sens de circulatie; • pentru cale simpla si circulatie In ambele sensuri; • pentru cale dubla si circulatie In ambele sensuri.

Cand linia este libera semnalele dau indicatii permisive. Orice deranjament In circulatie duce Intotdeauna la indicatii restrictive, indicatia verde ducand in indicatie galben sau rosu. La unele semnale este prevazut rosu de rezerva, amplasat pe un panou special, care se poate aprinde la defectarea focului rosu sau chiar a celorlalte doua, in functie de tipul instalatiei. Semnalele luminoase sunt permisive, avand in lungul catargului un reper de culoare alba, care semnifica posibilitatea depasirii semnalului pe rosu, cu viteza redusa (15km/h), dupa o oprire prealabila de 5 min pana la Intalnirea semnalului urmator de bloc.

La BLA cu sens banalizat, simultan cu punerea pe liber a semnalului de iesire la una din statiile adiacente, toate semnalele din linia curenta corespunzatoare sensului contrar de circulatie sunt trecute automat pe oprire. Este blocata si efectuarea parcursurilor de iesire din statia care

urmeaza sa primeasca trenul, catre statia expeditoare. Se realizeaza astfel „inzavorare de sens”, „orientarea blocului” sau „propagarea valului de rosu”.

Structuri de scheme de BLA

BLA cu trei indicatii, pentru linie dubla, sens specializat, la care fiecare sector de bloc are propriul sau circuit de cale. Circuitele de cale sunt alimentate sunt alimentate in sens invers sensului de circulatie de la o sursa de energie aflata in dulapul de bloc al semnalului urmator. In fiecare dulap de semnal se afla releul de cale al propriului sector de bloc, Impreuna cu un alt releu, notat V care reprezinta de fapt un repetitor al releului de cale al sectorului urmator. El este comandat prin cablu, prin contacte de lucru ale releelor de cale aflate atat pe firul de tur, cat si pe cel de retur, pentru a se evita actionari false la slabirea rezistentei de izolatie dintre conductoarele cablului.

Desi functional contactele de lucru ale propriului releu de cale nu sunt necesare in circuitul releului V, ele se introduc atat pe tur cat si pe retur (dubla taiere) pentru mai multa siguranta. Schemele focurilor semnalelor sunt identice, fiind realizate pe baza structurii schemei logice SI cu relee, schema de selectie cu numar minim de contacte. Indicatia de verde se obtine daca ambele relee sunt atrase, prin inserierea contactelor de lucru; indicatia de galben se obtine la dezexcitarea releului V, iar cea de rosu daca ambele relee sunt cazute.

2.Schema bloc

3.Blocul de alimentare

Blocul de alimentare este compus o sursa stabilizata de 5V, din schema de mai sus. Aceasta are la intrare 220V de la reteaua nationala si furnizeaza in secundar o tensiune de 5V c.a,o punte redresoare formata din diode 1n4005 care au pe fiecare alternanta o scadere de tensiune de 1,4V din valoarea efectiva data de secundarul transformatorului care insa este redata de condensator astfel incat la intrarea stabilizatorului vom avea o tensiune rezultata de 5,4V, in gol. Stabilizatorul este de tipul LM7812CT care furnnizeaza la iesirea acestuia o tensiune constanta de 12V, iar apoi un LM7805CT care furnizeaza tensiunea continua de 5V.

Bloc de alimentare

Bloc de detectie a materialului rulant

Blocul modului de comanda

Blocul semnalelor luminoase

Bloc de alimentare

Circuitele integrate fiind si autoprotejate intern la supracurenti si varfuri de supratensiune de scurta durata. Aceasta tensiune este transmisa in bloc cu ajutorul unor cabluri coaxiale. Am folosit un dublu stabilizator deoarece in cazul in care avem nevoie de mai multa energie putem folosi iesirea de 12V.

Acest bloc de alimentare este dublat pentru a putea evita sistarea activitatii din cauza defectarii surselor de alimentare si/sau modulelor de transmisie.

Blocul de alimentare al blocului de detectie este diferit de cel de mai sus al circuitului de detectie si de semnalizare , acestea fiind alimentate de la o faza a sistemului energetic national de 220V si dublata de o alta, diferita de aceasta de rezerva, pentru o siguranta mai sporita.

4.Blocul de detectie

Această categorie de traductoare utilizează efectul Hall, ce constă în producerea unei diferenţe de potenţial electric de-a lungul unui conductor ce este parcurs de un curent şi este amplasat într-un câmp magnetic exterior. Coeficientul Hall este definit ca raport dintre câmpul electric şi produsul densitate de curent – intensitate câmp magnetic aplicat. Este o caracteristică a materialului din care este realizat conductorul şi intensitatea sa depinde de tipul, numărul şi proprietăţile purtătorilor de sarcină care formează curentul.

Efectul Hall este prezent şi în semiconductoare. Sarcinile ce se deplasează în semiconductor (electroni şi goluri) întâmpină o forţă de rezistenţă, denumită forţa Lorentz, în prezenţa unui câmp magnetic extern, neparalel cu mişcarea sarcinilor. Atunci când acest câmp magnetic este absent, sarcinile urmează un traseu aproximativ rectangular. În prezenţa câmpului magnetic, traiectoria sarcinilor se curbează şi acestea sunt „presate” pe o faţetă a materialului. Acestea sunt compensate de un număr echivalent de „goluri” pe faţa opusă, ceea ce creează o diferenţă de potenţial. Rezultatul este o distribuţie neuniformă de sarcini electrice pe suprafaţa materialului semiconductor, iar separarea stabileşte un câmp electric ce se opune migraţiei altor sarcini. Pentru un conductor metalic simplu, unde nu există decât un singur tip de purtători de sarcini, electronii, tensiunea Hall 𝑉𝐻 este dată de relaţia: 𝑉𝐻=-IB/dne în care I este curentul prin placa de material, B reprezintă densitatea fluxului magnetic (inducţia), d este grosimea plăcii, e este sarcina electronului, iar n reprezintă numărul de purtători de sarcină sau densitatea purtătorilor de sarcină.

Blocul de detectie foloseste efectul Hall prin intermediul celor doi senzori liniari, circuite integrate de tip A1301 .

Tensiunea de ieșire Hall (UH) este direct proporțională cu intensitatea câmpului magnetic. Deoarece valoare tensiunii este foarte mică, toți senzorii de tip Hall au integrate amplificatoare electronice și circuite de reglare pentru a ridica tensiunea de ieșire a senzorului în jurul valorii de +5V.

Detalii despre A1301: • Tensiune de alimentare 3.8 V 30 V • Domeniu de masura : 2 - 11.5 mT • Tip Senzor : Unipolar • Curent maxim de lucru : 20 mA

Alte detalii: • Functioneaza la temperaturi de pana la +125 °C • Pret de productie si vanzare mic (aproximativ 8 RON) • Functioneaza la temperaturi intre -40 si +125 °C • Numar de pini: 3 Aplicatii in: •Senzorii pe baza efectului Hall sunt folosiți pentru a măsura: Câmpurile magnetice; Intensitatea curenților electrici: senzori de curent. Senzorii de poziție fără contact, utilizată mai ales în automobile, pentru

detectarea poziției față de un ax de rotație (cutie de viteze, ...). Senzori Hall în sistemele de măsurare a vitezei în transportul feroviar. Senzori Hall sub tastatura instrumentelor muzicale moderne (organe,

organe digitale, sintetizatoare), evitându-se astfel uzura, care este des întâlnită la comutatoarele electrice convenționale.

Condensatorul C4 este unul standard de 100nF la tensiunea de 25V, folosit pentru filtrare .Transformatorul coborator de tensiune TR1 foloseste tensiunea de 220V din primar si 12Vin secundar, in functie de fluctuatiile

campului magnetic prin bobina L1 atunci cand o roata de tren trece prin jurul acesteia, si o transmite transformatorului TR2 care o coboara la randul lui din 12V in una de 5V in secundarul acestuia. Tensiunea aceasta de curent alternativ din secundarul transformatorului TR2 este apoi introdusa intr-o punte redresoare formata cu diode standard 1N4005 filtrata cu ajutorul unui condensator electrolitic de 100uF/12V si transmisa stablizatorului de tensiune LM78L05. Condensatorii C3 si C4 sunt pentru decuplarea circuitului integrat respectiv filtraj la frecvente inalte a tensiunii de iesire.

Circuitul sesizor contine un senzor Hall care detecteaza schimbarile campului magnetic care va fi influentat în momentul trecerii rotii de tren pe deasupra, modificand tensiunea acesteia ,initial reglata pentru a fi nula, va deveni diferita de zero. In momentul in care roata de tren trece pe deasupra circuitului starea de echilibru a campului magnetic va fi pertubat si astfel va fi indusa tensiune

Acesta este un detector capabil sa semnalizeze prezenta trenului pe sectorul de bloc chiar daca acesta este stationat.

Metoda de detectie este valabila pentru un sector de bloc, iar echipamentul este dublat unul la inceputul sectorului de bloc si celalalt la sfarsit, deci pentru celalte doua mai trebuiesc inca patru module de detective si doua de comanda.

Schema echipamentelor de pe teren:

5.Blocul de comanda:

Blocul de detectie este format dintr-un microcontroler ATMega32 deoarece acesta are 32 de pini I/O ce pot fi folositi atat pentru detectie cat si interfata de semnalizare sau blocul de comanda. Contine deasemenea un circuit de oscilatie pe frecventa de 16MHz si inca unul de reset pentru reinitializarea acestuia in caz de defectiune. Acesta este alimentat la o sursa de 5V prezentata mai sus, cu circuitul regulator de tensiune LM7805CT ailmentata tot de la 220V si care se afla tot in punctul in care se afla si microcontrolerul.

Acesta dispune si de o interfata de comunicatie cu elementele din celelalte sectoare de bloc si modulul de comanda, acestea fiind formate din LED-uri de avertizare, pentru prezenta materialului rulant pe sector si LED pentru sesizarea defectiunii blocului de semnalizare .

Schema blocului de comanda:

Detalii despre ATmega 32:

ATmega 32 este un microcontroller CMOS de 32 biti de mica putere bazat pe arhitectura RISC AVR îmbunătăţită. Dispune de un set de 131 de instructiuni si 32 de regiştrii de uz general. Cele 32 de registre sunt direct adresabile de Unitatea Logică şi Aritmetică (ALU), permiţând accesarea a două registre independente într-o singură instrucţiune. Se obţine, astfel, o eficienţă sporită în execuţie (de până la zece ori mai rapide decât microcontrorelerele convenţionale CISC). Caracteristicile principale ale acestuia sunt: •32KB de memorie Flash reinscriptibilă pentru stocarea programelor ; •1KB de memorie RAM ; •1KB de memorie EEPROM ; •două numărătoare/temporizatoare de 8 biţi ; •un numărător/temporizator de 16 biţi ; •conţine un convertor analog – digital de 10 biţi, cu intrări multiple ; •conţine un comparator analogic ; •conţine un modul USART pentru comunicaţie serială (port serial) ;

•dispune de un cronometru cu oscilator intern ; •oferă 32 de linii I/O organizate în patru porturi (PA, PB, PC, PD). Există o magistrală generală de date la care sunt conectate mai multe module: •unitatea aritmetică şi logică (ALU) ; •registrele generale ; •memoria RAM şi memoria EEPROM ; •liniile de intrare (porturile – I/O Lines) şi celelalte blocuri de intrare/ieşire. Aceste ultime module sunt controlate de un set special de registre, fiecare modul având asociat un număr de registre specifice.

6.Blocul de semnalizare

Blocul de semnalizare contine 4 semnale Galben , Verde, Rosu si Rosu de rezerva. Acestea sunt alimentate la 12V si au o putere de incandescenta de 25W . Sunt comandate de relee prin pinii microcontrolerului PB0 , PB1, PB2 si PB3 (40, 39, 38, 37) prin punerea la masa in interiorul acestuia , actiune ce inseamna un nivel logic de “0” sau “1”(5V).

Schema a blocului de semnalizare:

Program comanda semnalizare si detectie

7.Solutiile alese

1.Am ales microcontroler pentru dispecer deoarece este o metoda mai avansata si multifunctionala la care am putut conecta toate blocurile componente.

Avantaje: cost redus,spatiu redus, multifunctionalitate. posibilitatea resoftarii.

Dezavantaje: este susceptibil la erori software, risc la ardere mai mare.

2. Am ales sesizarea cu led-uri fiindca este cea mai simpla si ieftina solutie.

Avantaje: cost redus, spatiu redus

Dezavantaje: risc mai mare la ardere( nu rezista la supra tensiuni )

3. Am ales metoda detectarii materialului rulant cu detector de osii pe baza efectului HALL deoarece este o metoda simpla si putin costisitoare, de anduranta.

Avantaje: cost redus,

Dezavantaje: poibilitatea de a incepe contorizarea osiilor datorita altori factori inconjuratori.

4. Am ales stabilizatoare de tensiune atat la sursa de alimentare cat si la blocul semnalelor luminoase deoarece poate proteja microcontrolerul si scoate la iesire o tensiune bine stabilizata si calibrata.

Avantaje: � O stabiliza 0,5 perioade (10 ms), Mari fluctuaţii ale tensiunii de intrare fără a fi necesare comutatoarele de ploturi

� Insensibilitate la variaţiile de frecvenţă ale tensiunii de intrare, Dimensiuni şi greutate reduse.

8.Fiabilitate

Pentru rezistenta la arderea senzorului Hall la suprasarcini putem pune o rezistenta de putere mai mare(W)

Pentru protectia microcontrolerului am folosit stabilizatoare de tensiune la iesirea blocurilor care sunt conectate la microcontroler si care ii transmite si tensiunea care are nevoie microcontrolerul.

Pentru siguranta becurilor si pentru cuplarea acestora in circuit am folosit Relee.

Pe sursa de alimentare putem pune sigurante fuzibile atat la pe intrarea acesteia cat si pe iesire pentru protectie la arderea altor componente din sistem.

Pentru protectia led-urilor de afisare putem pune in serie rezistenta de supra sarcina si de putere (W).

Posibile probleme care pot aparea in functionarea sistemului

Mentenanta si probleme care pot aparea in functionarea sistemului:

Desi componentele traficului feroviar prezinta un grad mare de siguranta, pot aparea problem infunctionarea acestora, despre care e de preferat sa se stie dinainte.In acest fel se pot tine sub observatie si se poate interveni in timp util pentru a nu pune in pericol siguranta transportului pe caile ferate.

Posibile exemple ale defectarii fiecarui bloc de linie in parte:

Pentru a preintampina probleme ce pot aparea in alimentarea sistemului blocul de alimentare a fost dotat cu o alimentare de rezerva .Astfel in cazul unor pene de curent, deteriorari ale cablurilor din alimentarea principala, furtul sau distrugerea unor componente din alimentarea principala sistemul

este alimentat prin alimentarea de rezerva pana la remedierea situatiei fara a fi pusa in pericol circulatia pe calea ferata.

In cadrul blocului de detectie pot aparea probleme in detectarea osiilor atunci cand unul dintre contactele asnamblului de detectie se defecteaza sau apar erori .Acest lucru poate fi dedus de operatorul uman atunci cand desi este stiut ca sectorul de cale este liber se observa ca sistemul il considera ocupat.In acest caz se reseteaza sistemul si daca nu a fost o eroare de soft se verifica senzorii.

In cadrul blocului de semnalizare pot aparea probleme atunci cand unul din becurile de galben sau verde se ard.Din acest motiv becurile sunt de tip bifilament iar atunci cand un filament se arde se trece pe al doilea filament.Se considera ca acest lucru se poate intampla in maxim un interval al verificarilor periodice si poate fi detectat in timp util. Becul de rosu si galben sunt prevazute cu un releu de siguranta care semnalizeaza microcontrolerului cand acestea se defecteaza(ambele filamente) cel de verde si rosu de rezerva pot fi observate de un acar in tren, sau de mecanicul de locomotiva.

O a 2 problema din cadrul acestui bloc poate aparea situatia in care becului de rosu i se poat arde ambele filamente.In aceasta situatie raspunsul este considerat unul fals, fapt ce pune in pericol circulatia pe calea ferata .Ca masura de siguranta, in cadrul semaforului va fi montat un asa numit “rosu de rezerva” care se va aprinde atunci cand “rosu de baza” este ars sau alimentarea catre el este intrerupta. Faptul ca “rosu de baza” este ars si semaforul functioneaza pe rosu de rezerva va fi si detectat de catre microcontroler si va fi sesizat in dispecerat.

O alta problema la blocul de semnalizare o reprezinta lipsa totala a alimentarii ,acest lucru fiind aproape imposibil dar s-a luat in considerare si o astfel de variant.In acest caz mecanicul va stationa 15 minute asteptand remedierea problemei,in caz contrar va circula cu o viteza de 15km/h pana la urmatoarea statie.

In cadrul blocului de control si decizie comunicatia se face prin cablu coaxila dublat petru a evita distrugerea sau deteriorarea unuia dintre ele.Tot in cadrul acestui bloc daca unul dintre microcontrolerele considerat “slave”

se defecteaza controlerul “master” va semnaliza acest lucru catre dispecerat datorita lipsei raspunsului de la transmisie. Aceasta comunicatie se poate intarii si prin mijloace radio sau gsm pentru o siguranta mai sporita.

O alta problema care poate aparea la acest bloc consta in defectarea de pe placuta microcontrollerelor sau din cadrul surselor de alimentare a condensatorilor electrolitici.Acestia in daca nu sunt inlocuiti la timp se usuca.In urma acestui fenomen se pot transmite informatii false sau chiar se poate defecta intregul sistem.

9.Bibliografie:

1. •http://www.atmel.com/products/microcontrollers/avr/ 2. http://www.datasheetcatalog.com/ 3. Robert Karplus and J. M. Luttinger (1954). "Hall Effect in

Ferromagnetics". Phys. Rev. 95 ( 4. Brian, Frank W. (May 1, 2006). "Railroad's Traffic Control

Systems". Trains. Kalmbach Publishing Co. 5. Make: Electronics (Learning by Discovery); Charles Platt;