Aktuální vydání

celé číslo

01

2024

Automatizace skladování, logistiky a manipulace s materiálem

Programovatelné automaty, průmyslové počítače, jednotky I/O, bezpečnostní systémy

celé číslo

Diagnostický systém pro trolejbus pro San Francisco

Automa 5/2000

ng. Pavel Zídek, Ing. Jan Jaňour,
Škoda Energo s. r. o., závod Controls

Diagnostický systém pro trolejbus pro San Francisco

Obr. 1.

Ve Škoda Energo, v závodě Controls, byl vyvinut diagnostický systém pro standardní a kloubový trolejbus pro MUNI San Francisko, stát Kalifornie, USA. Článek vycházející z příspěvku [1] popisuje použitý princip diagnostiky a strukturu hardwaru i softwaru diagnostického systému.

1. Úvod
Se vzrůstající složitostí a množstvím zařízení používaných v moderním věku roste i potřeba provozovatele jednoduše a co nejrychleji zjistit, zda určitý systém, sestavený z různých zařízení, je provozuschopný. Jestliže není, rychle určit, které zařízení chybuje, a pokud možno označit i jeho vadnou část. Někdy bývá užitečné také bezpečně stanovit, za jakých podmínek a kdy selhala část zařízení.

Zmíněné schopnosti spadají pod obecný pojem diagnostika. Diagnostika trolejbusu pro MUNI San Francisko je zaměřena na elektrickou výzbroj a některé elektromechanické komponenty.

Uvnitř celého diagnostického systému lze podle účelu, k jakému slouží, definovat tyto čtyři podsystémy:

  • Signalizace na pultu řidiče, která poskytuje řidiči souhrnný přehled o tom, je-li trolejbus v daném okamžiku schopen jízdy. Tato nejjednodušší část diagnostického systému je převážně realizována pevným propojením vybraných signálů na kontrolní světla (signálky). Některé signalizace jsou realizovány počítačovým výstupem, popř. také přímým měřením neelektrické veličiny vhodným měřidlem. Žárovky v signálkách se kontrolují pomocí tlačítka lamp test.

  • Palubní diagnostický systém (On Board Diagnostics) zahrnuje všechny technické a programové prostředky pevně instalované v trolejbusu, které umožňují pracovníkům údržby identifikovat chybnou funkci jeho elektrického zařízení. Palubní diagnostický systém se skládá z centrálního diagnostického systému (CDU) a z prostředků lokální diagnostiky. CDU shromažďuje data z vybraných elektrických zařízení, vysílá jim příkazy, řídí pomocné signalizace a vydává zvuková znamení. Některá inteligentní zařízení jsou vybavena vlastními lokálními diagnostickými prostředky předzpracovávajícími data, která dále předávají do CDU. Takto jsou vybavena zařízení MPCU (řídicí jednotka hlavního pohonu), ABS nebo řízení hydrauliky otočného kloubu. Přestože je palubní diagnostika vestavěna v trolejbusu, její displej je umístěn mimo zorné pole řidiče. Podle zvyklosti je tak jednoznačně oddělena úloha řidiče a údržbáře.

  • Přenosný testovací systém (PTU) je v podstatě výkonný laptop v odolném provedení s bateriovým napájením. Připojením PTU k CDU získá operátor komfortní přehled o všech datech uložených a zpracovávaných v CDU.

  • Stolní testovací systém BTU (Bench Test Unit) slouží k nalezení závady uvnitř zařízení, které palubní diagnostický systém vyhodnotil jako nefunkční, když chybu nebylo možné blíže specifikovat přímo ve voze. Principem tohoto přístupu je možnost stimulovat vstupy a měřit ty veličiny, které v provozním zapojení nejsou k dispozici. Zákazník požaduje, aby celý diagnostický systém byl automatizován do té míry, aby nekladl žádné větší požadavky na úroveň vzdělání a hloubku zaškolení obsluhujícího personálu.

2. Charakteristika palubního diagnostického systému
Elektrická výzbroj trolejbusu pro San Francisco se skládá ze dvou typů zařízení – klasického a řízeného mikropočítačem. Regulátor hlavního pohonu (MPCU), střídavý měnič (AP-convertor) a nabíječ baterie pro nouzový pojezd (EPU-Ch) patří do kategorie systémů řízených mikropočítačem. Ke „klasickým“ prostředkům jsou řazeny stykače, relé, koncové kontakty, spínače a výstupy jiných zařízení. Inteligentní mikropočítačové řídicí systémy jsou opatřeny komunikační schopností, které se využívá pro předávání předzpracovaných dat do CDU. Předávaná data jsou dvojího typu: aktuální hodnoty vstupů i výstupů a chybová hlášení zpracovaná přímo v rychlé smyčce řídicího algoritmu. Jednotlivé inteligentní zařízení samo rozhodne, zda jsou splněny všechny podmínky pro normální chod, nouzový chod či úplné zablokování vozidla a podle kategorie a klasifikace události předá informace o závadě do CDU.

Údaje z klasických zařízení se přímo zpracovávají v CDU, tj. hledají se rozpory mezi tím, jak by diagnostikované zařízení mělo fungovat a jak pracuje ve skutečnosti.

CDU je navržen tak, aby jeho případné selhání záporně neovlivnilo činnost zařízení v trolejbusu.

3. Hardware CDU
Základem CDU je rychlý mikropočítač v průmyslovém provedení s procesorem i80386 s pamětí flash (SSD1) a pamětí SRAM (SSD2), zálohovanou baterií. Mikropočítač je dále vybaven dvěma vstupy pro sériovou komunikaci (RS-232, RS-485), vstupem pro sériovou komunikační sběrnici CAN a paralelním portem. K paralelnímu portu je připojen dvouřádkový alfanumerický luminiscenční displej, jehož součástí jsou tlačítka pro volbu režimů zobrazování dat. Pro přímý sběr dat z klasických zařízení jsou použity vstupně/výstupní (v/v) moduly CAN spojené sběrnicí s CDU. Tyto v/v moduly v sobě obsahují mikroprocesor i80196. Z hlediska diagnostiky je výhodné používat sériovou komunikaci s dislokovanými zařízeními nejen pro zjednodušení kabelových rozvodů, ale zejména proto, že nabízí zabezpečený přenos dat. Diagnostický systém má malou spotřebu, nemá nucené chlazení a neobsahuje pohyblivé části.

4. Funkce dignostického systému

4.1 Struktura diagnostického systému
Jak je vidět na obr. 1, je ke sběrnici RS-485 připojen regulátor hlavního pohonu (MPCU). Ke sběrnici CAN jsou připojeny střídač (AP-convertor) a nabíječ (EPU-Ch) a dva v/v moduly (CAN1, CAN2). Do v/v modulů jsou přivedeny signály z dalších zařízení, např. bezpečnostního spínače, blokovacího obvodu hlavního pohonu, dveřních koncových spínačů, kompresoru, snímače tlaku vzduchu, hlídače nedovoleného napětí na kotvě, elektronické přepěťové ochrany, převodníku vstupního napětí trolejbusu, tepelného relé nabíjecího proudu, jističe motoru ventilátoru chlazení trakčního motoru, střešního ventilátoru pro GTO tyristory měniče, baterie nouzového pojezdu, posilovače řízení, kontaktu vstupního jističe a jeho cívky apod.

4.2 Počítač CDU
Počítač CDU periodicky obsluhuje všechny komunikační sběrnice a zajišťuje tyto funkce:

  • zpracování, zobrazení a záznam (archivaci) získaných dat, mezi kterými se rozlišují:
    – události (events), což jsou obvykle informace o poruše nebo stavu zařízení,
    – záznamy vektoru naměřených hodnot;
  • obsluha tlačítek a displeje;
  • obsluha komunikace s PTU;
  • ovládání pomocných výstupů a zvuková signalizace.

CDU ukládá v každé periodě obsluhy programu všechny načtené vzorky do kruhové paměti (value vectors). Zjistí-li se, že některé zařízení vyhodnotilo událost (poruchu), je její číslo spolu s časem její detekce zapsáno do zálohované paměti SRAM a je inkrementován čítač události. Je-li pro tuto událost nastaven v seznamu událostí příznak OneSample, v zálohované paměti SRAM se uchová jeden vzorek (vektor) naměřených aktuálních hodnot. Má--li událost nastaven příznak Pack, uchová se celý balík naměřených vzorků (vektorů) reprezentující časový úsek s počátkem 2,5 s před detekcí a s koncem 2,5 s po detekci události.

Pro binární signály existuje příznak Life Cycle (doba života). Změní-li se hodnota binárního signálu s nastaveným příznakem Life Cycle, inkrementuje se příslušný čítač doby života (Life Cycle Counter). Stav čítače doby života se uchovává v zálohované paměti SRAM. Takto získané statistické údaje se využívají pro preventivní údržbu (výměna zařízení nebo částí s vyčerpanou dobou technického života).

4.3 Obsluha tlačítek a displeje
Na displeji CDU lze zobrazovat údaje v režimech:

  • value: jedna aktuální měřená hodnota v reálném čase s možností procházet seznam měřených veličin pomocí tlačítek;
  • array of values: několik aktuálních naměřených hodnot v reálném čase;
  • events: v seznamu chronologicky zaznamenaných událostí lze listovat pomocí tlačítek;
  • events counter: lze listovat v seznamu čítačů událostí, jejichž stav je nenulový;
  • test: režim, ve kterém je diagnostikován hlavní pohon a celková připravenost trolejbusu k jízdě.

Stávající režim zobrazení může být při výskytu nové události překryt výstražným hlášením event alarm. K předchozímu režimu se lze vrátit potvrzením příjmu hlášení tlačítkem MODE, jež také slouží k přepínání mezi režimy zobrazení. Příklad zobrazení události na displeji je ukázán na obr. 2.

Obr. 2.

4.4 Obsluha komunikace s PTU
Komunikace s PTU nijak nenarušuje hlavní činnosti CDU. Přenosné testovací zařízení lze tedy připojit a odpojit kdykoliv za chodu CDU. Programové vybavení CDU a PTU je připraveno pro komunikaci prostřednictvím radiomodemu, čímž je nabídnuta možnost sledovat stav vozidla z centrálního dispečinku.

5. Přenosný testovací systém
Přenosný testovací systém poskytuje možnost pracovat dvěma způsoby. Buď je připojen k centrální diagnostice sériovým kabelem, a pracuje tedy s aktuálními hodnotami veličin, nebo k ní není připojen – a pracuje s daty již dříve uloženými do souboru.

PTU slouží ke komfortní práci s palubním diagnostickým systémem, neboť nahrazuje dosti omezené možnosti dvouřádkového displeje a přidává funkce, které v CDU nejsou realizovatelné. Kromě funkce grafického zobrazení dat je v PTU vytvořen expertní systém vyhodnocení a lokalizace poruchy, který poskytuje možnost určit nejmenší vyměnitelnou jednotku a popř. navrhuje technologický postup výměny.

Program pracuje v systému Windows 95/98 se standardním přátelským ovládáním.

PTU umožňuje:

  • číst všechny události uložené v CDU do okna s označením Events nebo ze souboru (pokud zůstává připojen k CDU, načítá aktuální události);
  • číst všechny záznamy typu OneSample z CDU nebo ze souboru a zobrazit je;
  • číst všechny záznamy typu Pack z CDU nebo ze souboru a zobrazit je v podobě grafu;
  • číst speciální hodnoty, jako číslo trolejbusu, verze zařízení apod.;
  • monitorovat měřené hodnoty v reálném čase v okně Inspect;
  • spouštět záznam předdefinovaného počtu vzorků měřených veličin v čase a zobrazovat naměřené hodnoty v podobě grafu;
  • ukládat načtené objekty do souborů pro pozdější zpracování;
  • filtrovat události podle předdefinovaných vzorů nebo uživatelem vytvořených výrazů;
  • z okna Events vytvářet pomocí tlačítka nové okno Events Sumary, které zobrazuje seznam všech událostí s nenulovým stavem jejich čítače a s uvedením, zda událost je či není aktivní (obr. 3);
  • předdefinovat skupiny signálů pro zobrazení v oknech Inspect a Graph;
  • kliknutím myší na zvolenou událost v okně Events nebo Events Summary zobrazit tzv. servisní list (postup při odstraňování poruchy);
  • zaznamenaná data implicitně ukládat do adresáře a souborů podle čísla trolejbusu a aktuálního kalendářního data.

Obr. 3.

6. Programová realizace
Program CDU se skládá kromě spustitelného kódu také z databázového souboru diagnost.txt, kterým jsou určeny vlastnosti událostí a připojených signálů. Sloupce zmíněné databáze mají tento význam (viz také obr. 2):

  • Code: jednoznačný třímístný identifikátor události nebo signálu (měřená hodnota v reálném čase), sloužící jako ukazatel pro vyvolání servisního listu v elektronické podobě nebo jako odkaz do katalogu servisních listů;
  • Name: stručný textový popis události/signálu;
  • Event Type: jednoznakový identifikátor typu události (F – fatální selhání hlavního pohonu, f – fatální selhání pomocného zařízení, W – varování, I – informace pomocného charakteru, C – čekání na splnění provozní podmínky);
  • OneSample: příznak přikazující vytvořit záznam všech měřených veličin k okamžiku výskytu události;
  • Pack: příznak přikazující vytvořit záznam všech naměřených veličin okolo okamžiku vzniku události ±2,5 s;
  • Priority: určuje váhu (důležitost) události v případě, kdy se současně vyskytne větší počet aktivních chyb a je žádoucí doporučit pořadí jejich odstraňování.

7. Závěr
Popsaný diagnostický systém byl vyvinut pro standardní a kloubové trolejbusy dodávané do MUNI San Francisko, Kalifornie, USA. Jeho funkční schopnosti jsou vyzkoušeny ročním provozem prototypového trolejbusu. V současné době opouštějí závod Controls první výrobky z dvěstěpadesátikusové dodávky centrálního diagnostického systému (CDU), střídavého měniče AP-convertor a nabíječe EPU-CH pro společný podnik (Škoda – AAI) Electric Transit Inc., který trolejbusy v USA montuje.

Literatura:

[1] ZÍDEK, P. – JAŇOUR, J.: Diagnostický systém trolejbusu pro San Francisco. In: Sborník z konference Autos 2000. Plzeň, 14. až 6. června 2000.