В работе рассмотрены вопросы автоматизации управления технологических объектов на основе технологии беспроводной передачи данных на базе стенда «Сенсорные сети ZigBee в системах автоматического управления», произведённого фирмой УчТехПрофи, г. Челябинск.
Данный стенд представляет собой макет участка железной дороги, на котором организуется движение поездов. Задача автоматизации данного объекта заключается в управлении режимами движения поездов и оптимизации режимов работы непосредственно задействованного в этом движении оборудования. Для решения данной задачи необходимо создать систему автоматического управления, которая могла бы собирать информацию о движении и состоянии на участке дороги и соответствующим образом контролировать узлы железной дороги.
Управление и передача информации в данном макете реализуются на основе технологии Zigbee – беспроводных сетей передачи данных [1]. В комплект стенда входят: макет путей, макет поезда, а также а также некоторые элементы сопутствующего оборудования железной дороги.
Рис. 1
В состав макета стенда также входят: система управления двигателем, которая позволяет запускать локомотив в разных направлениях и с различной скоростью. Управляется двумя линиями ввода-вывода (для задания режима работы двигателя) и одним ШИМ-выходом (для управления интенсивностью работы); датчик освещенности, смонтированный на верхней части локомотива. Выдает информацию о текущем уровне освещенности на вход АЦП модуля ETRX-2; cистема освещения (фара), установленная в передней части локомотива. Фара включается с помощью линии ввода-вывода модуля ETRX-2.
Движение макетов поездов осуществляется по путям, проложенным в виде двух сливающихся колец – внешнему и внутреннему, переход между которыми регулируется стрелочными переводами, а для световой индикации возможности взреза стрелки используется двухцветные семафоры. Железнодорожный переезд имитируется с помощью шлагбаумов. Также предусмотрено освещение дороги – вдоль путей расположены фонари с возможностью плавного регулирования яркости свечения. Для управления перечисленными устройствами и сбора информации о движении поезда в стенде используются рельсовые модули, которые равномерно расположены по ходу железнодорожного полотна. Рельсовый модуль (схематично показан на рисунке 2) состоит из: приемопередатчика ZigBee Telegesis ETRX-2 (4); датчика температуры, подключенный ко входу (3); двух датчиков Холла (1 и 2), установленных по краям железнодорожного полотна и позволяющих обнаруживать проезжающие над ними поезда (на поездах прикреплены магниты), зеленого светодиода (6), горящего при наличии питания модуля, красного светодиода (7), подключенного к порту ввода/вывода модуля, интерфейсного разъема (5), при помощи которого через специальный переходник можно подключать модуль к компьютеру. Интерфейс основан на переходнике USB->UART и имеет гальваническую развязку.
Рис. 2. Схематичное изображение рельсового модуля
Сети ZigBee находят широкое применение при автоматизации технологических объектов. Устройства ZigBee отличаются низким электропотреблением, компактностью и дешевизной, а также сами сети обладают ячеистой mesh-топологией с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений и способны самоорганизовываться и самовосстанавливаться. Наибольшая скорость передачи и наилучшая помехоустойчивость достигается в диапазоне от 2,4 до 2,48 ГГц. В этом диапазоне предусмотрено 16 каналов по 5 МГц.
В сети Zigbee существует три типа узлов: координаторы, маршрутизаторы и конечные устройства. При этом сеть может иметь только одного координатора, который нужен для выбора частот новой сети при ее запуске и допуска в сеть новых устройств. Маршрутизаторы выполняют функции перенаправления одного сообщений одного узла к другому и подключения к нему конечных устройств, которые в свою очередь могут только принимать и посылать сообщения. В нашей сети роль координатора исполняет приёмопередатчик ZigBee Telegesis ETRX2USB, подключающийся к персональному компьютеру по интерфейсу USB. Таким образом обеспечивается вхождение операторской станции в сеть, с которой ведется управлением всеми доступными ZigBee-модулями и сбор с них информации.
Для отработки алгоритмов автоматического управления железной дорогой возможно написание программ на различных языках программирования высокого уровня. Так, для разработки САУ для стенда был выбран язык программирования высокого уровня Python, для которого существуют готовые библиотеки по работе с COM-портами и что значительно облегчает процесс разработки. В данном случае была выбрана библиотека pySerial, так как она лишена некоторых недостатков других библиотек и сравнительно более проста в использовании. При использовании библиотеки запись AT-команд в коде программы происходит в удобном для написания текстовом виде и передаётся библиотеке для обработки в строковом формате данных. Библиотека позволяет работать как с ожиданием ответа от порта, так и без ожидания, что позволяет в полную меру использовать функции модулей для реализации нужных алгоритмов. Движение поезда по внутреннему или внешнему кольцу задаётся оператором, в зависимости от выбранного кольца в автоматическом режиме происходит работа стрелочных переводов.
Освещение. Для удобной и безопасной работы на железной дороге предусмотрено освещение путей в тёмное время суток. Освещение путей реализуется с помощью установленных вдоль путей фонарей. Для повышения энергоэфффективности использования фонарей применяется диммирование яркости, управление освещением происходит следующим образом: освещение отключается в дневное время; в вечернее и утреннее время мощность освещения регулируется в зависимости от уровня освещённости. Регулирование уровня яркости происходит на основе изменения скважности ШИМ-сигнала подключенного рельсового модуля. Также, вместе с включением освещения, включается фара, установленная на поезде.
Шлагбаум. Исходное положение шлагбаума – открытое. Шлагбаум автоматически закрывается при регистрации поезда ближайшим рельсовым модулем приближении поезда и открывается при отдалении поезда. Приближение поезда определяется по сигналам с датчиков Холла, подключенных к рельсовым модулям, расположенных на подъезде к железнодорожному переезду. На каждом модуле установлено по два цифровых датчика Холла, и по тому, какой датчик сработает первым, можно определить куда движется поезд.
Рис. 3. Алгоритм работы автоматизации стенда
Семафоры сигнализируют машинисту поезда о допустимости или недопустимости движения поезда в данном направлении. В нашем случае недопустимым является движение, если стрелочные переводы переведены не на то кольцо, по которому должен двигаться поезд.
При изучении данного стенда и работе с ним были разработаны алгоритмы автоматического управления освещением, шлагбаумом, семафорами и стрелками на участке железной дороги на основе сенсорных сетей ZigBee, начато проектирование и создание программы для автоматизированного управления объектами стенда.
Южно-Уральский государственный университет https://susu.ru