Грузовым поездом на основе технологии radio ethernet

4.5.1.Рассмотрим возможность применения беспроводных сетей на железнодорожном транспорте.

При увеличении пропускной и провозной способности важнейших направлений сети железных дорог (повышение веса грузовых поездов) столкнулись с серьезными проблемами. Из-за несинхронного срабатывания тормозов в головной и хвостовой частях поезда возникают большие продольные динамические усилия в составе, что может привести к происходит расцепке поезда или выдавливанию головных вагонов.

Предлагается реализовать в грузовом поезде сеть, в которой посредством центрального устройства (ЦУ) должен осуществляться опрос состояния тормозного оборудования в голове и хвосте поезда и отображаться его состояние на мониторе в кабине локомотива. Кроме того, центральное устройство транслирует команды ступеней торможения от тормозного крана машиниста в технологическую станцию (ТС), находящуюся в хвосте поезда. В общем случае технологических станций может быть несколько, и они могут располагаться по длине поезда. Такой вариант позволит уменьшить продольные динамические усилия в составе.

Центральное устройство расположено в голове поезда, в кабине локомотива. Центральное устройство состоит из набора датчиков давления (ТЦ, ЗР, ТМ), которые через блок сопряжения подключаются к вычислительному устройству. Для взаимодействия с машинистом в состав системы входят технологическая клавиатура и технологический дисплей. Положение тормозного крана машиниста вводится через блок сопряжения.

Технологическая станция содержит набор датчиков давления, подключаемых через блок сопряжения к вычислительному устройству (ВУ), блок сопряжения с устройством торможения и систему автономного электропитания.

Центральное устройство и технологическая станция взаимодействуют по радиоканалу, использующему технологию RADIO ETHERNET. Для этой цели в каждое из указанных устройств вводят средства радиодоступа.

Посредством центрального устройства (ЦУ) осуществляется опрос состояния тормозного оборудования в голове и хвосте поезда и отображение его состояния на мониторе. Кроме того, центральное устройство транслирует команды ступеней торможения от тормозного крана машиниста в технологическую станцию.

Структурная схема взаимодействия ЦУ и ТС приведена на рис.4.13.

Рис.4.13. Структурная схема взаимодействия ЦУ и ТС

4.5.2.Сформулируем требования к средствам сетевого обмена информацией ТС и ЦУ.

Проектируемая сеть должна обеспечить доставку данных от ТС в ЦУ о величинах давления в тормозной магистрали (ТМ), тормозных цилиндрах (ТЦ), запасных резервуарах (ЗР) в хвосте поезда и передачу команд на торможение в ТС от ЦУ (из кабины машиниста).

Аппаратно-программные средства, обеспечивающие выполнения этих задач должны удовлетворять следующим требованиям:

использовать беспроводные технологии, т.к. проводная связь в грузовых поездах отсутствует и ее введение невозможно из-за работ по переформированию составов;

обеспечивать высокую помехоустойчивость в условиях высокого уровня различной физической природы помех на железной дороге; обеспечивать высокую надежность в условиях эксплуатации железнодорожного транспорта;

обеспечивать дальность связи не менее 1400 м, что соответствует длине тяжеловесного поезда (9000т) примерно 100 вагонов:

14м х 100 вагонов=1400м;

обеспечивать сетевое взаимодействие ЦУ и ТС, число которых может быть больше двух, причем сеть должна быть открытой для подключения ТС иного функционального назначения (например, измеряющих динамические усилия в поезде), технологические параметры транспортируемых грузов, состояние охранных систем и т.п.;

средства сети должны быть высокотехнологичными, т.е. применять широкодоступные, типовые, отлаженные и, следовательно, недорогие технологии и компоненты для своей реализации;

средства сети должны иметь небольшое энергопотребление, чтобы работать от автономных источников электропитания в течение 8-10 часов;

требуемая скорость передачи данных невелика - единицы Кбайт/с;

средства сети должны отвечать требованиям, допускающим применение этих средств в России и железнодорожной отрасли.

Управление режимом обслуживания осуществляется с помощью ПО Microsoft Windows ХР, установленного на ПЭВМ центрального устройства в кабине машиниста.

Режим обслуживания ТС используется для:

синхронизации часов ТС и ЦУ;

переписи данных из внутренней памяти ТС в ЦУ;

освобождения внутренней энергонезависимой памяти ТС.

В состав системы входят следующие датчики и устройства:

датчик давления воздуха в тормозной магистрали;

датчик давления воздуха в тормозном цилиндре;

датчик давления зарядного резервуара.

Параметры, измеряемые датчиками, преобразуются в цифровой код и с помощью ТС по радиоканалу передаются в ЦУ. Передача информации производится пакетами (примерно 1 раз в секунду). Измерение параметров и передача информации происходит во время движения непрерывно.

Одновременно с передачей измеряемые параметры записываются во внутреннюю энергонезависимую память центрального устройства (ЦУ), что позволяет сохранить информацию даже при полной потере радиосвязи между ЦУ и ТС, вызванной, например, неровностями рельефа местности или работой других радиостанций на частотах передатчика ЦУ.

ТС расшифровывает принятые пакеты, преобразует данные об измеренных физических величинах в формат с плавающей точкой, и передаёт их в ПЭВМ через порт COM1.

Для обработки и отображения полученной информации о параметрах тормозной сети поезда используется установленное на ПЭВМ ПО, работающее в реальном режиме времени. Кроме того, ПО реального режима времени осуществляет:

управление работой всей системы и её отдельных частей;

расчёт вычисляемых характеристик тормозной сети поезда;

запись, при необходимости, полученной информации на жёсткий или гибкий диск;

оперативную печать информации.

4.5.3.На МАС-подуровне выделим три режима функционирования WLAN грузового поезда:

режим Ad Hoc или Peer-to-Peer (точка-точка);

режим Infrastructure Mode Basic Service Set (BSS);

режим Infrastructure Mode Extended Service Set (ESS).

В режиме Ad Hoc или Peer-to-Peer ЦУ и ТС непосредственно взаимодействуют друг с другом, поэтому ЦУ и ТС могут быть оснащены только беспроводными адаптерами. Этому режиму соответствует простейшая топология WLAN с одной ТС в хвосте поезда. Небольшая выходная мощность передатчиков адаптеров (обычно 30-50 мВт) позволяет обеспечивать связь до 800-1000м, что соответствует длине 50-70-вагонного грузового поезда.

В режиме Infrastructure Mode Basic Service Set (BSS) ЦУ и ТС взаимодействуют друг с другом не напрямую, а через единственную точку доступа Access Point (AP), которая выполняет роль коммутатора. Этому режиму соответствует топология WLAN с одной или несколькими ТС (например, в середине и хвосте поезда). Применение точек доступа с более мощными передатчиками (до 150 – 200мВт) позволяет увеличить радиус WLAN до 1000-1200 м, что соответствует длине 70-80-вагонного грузового поезда.

В режиме Infrastructure Mode Extended Service Set (ESS) – расширенном режиме имеется две точки доступа (в голове и хвосте поезда), через которые ЦУ и ТС взаимодействуют друг с другом. Этому режиму соответствует топология WLAN с одной или несколькими ТС. Применение двух точек доступа с более мощными передатчиками (до 150 – 200мВт) позволяет увеличить радиус WLAN до 1200-1500 м, что соответствует длине 70-100-вагонного грузового поезда. Разновидностью этого режима является режим, в котором одна из точек выполняет роль репитера (промежуточного ретранслятора сигналов), что позволяет обеспечить взаимодействие ЦУ и ТС в случае отсутствия прямой видимости между головой и хвостом поезда.

Для реализации указанных режимов и вариантов WLAN выбраны следующие типы точек доступа: DWL-2100AP и внешняя DWL-2700AP фирмы D-Link (рис.4.14). Эти точки доступа используют технологию DSSS и реализуют все протоколы семейства 802.11, включая 802.11g. Точки доступа могут работать в режимах мост точка – точка, точка – много точек, беспроводный клиент, повторитель, обеспечивая широкий диапазон скоростей передачи: от единиц Мбит/с (тип модуляции BPSK) до десятков Мбит/с (тип модуляции QPSK) и сотни Мбит/с (тип модуляции OFDM). Выходная мощность передатчика до 200мВт и возможность использования внешней антенны позволяют обеспечивать радиус сети до1500-1700м.

Рис.4.14. Точки доступа DWL-2100AP и DWL-2700AP для использования в составе центрального устройства и технологической станции

Для реализации указанных режимов и вариантов WLAN выбраны следующие типы беспроводных клиентских адаптеров: DWL-G520 и DWL-G810 фирмы D-Link (рис.4.15). Эти беспроводные адаптеры используют технологию DSSS и реализуют все протоколы семейства 802.11, включая 802.11g. Беспроводные адаптеры обеспечивают широкий диапазон скоростей передачи: от единиц Мбит/с (тип модуляции BPSK) до десятков Мбит/с (тип модуляции QPSK) и сотни Мбит/с (тип модуляции OFDM) при сравнительно небольшой потребляемой мощности 2-3 Вт. Возможность использования внешней антенны позволяют обеспечивать радиус WLAN типа точка – точка до 1000м.

Рис.4.15 Беспроводные клиентские адаптеры DWL-G520 и DWL-G810

Настройка точек доступа и клиентских адаптеров проста и производится Мастером настройки и установки.

В качестве антенны для ЦУ и ТС выбрана внешняя направленная секторная антенна ANT24-1400 (рис.4.16). Эта антенна предназначена для частотного диапазона 2,4 ГГц, имеет усиление 14 dBl и обеспечивает дальность связи до 2,5 – 3 км.

4.5.4.Работа WLAN грузового поезда происходит следующим образом.

При подключении к ЦУ одной или нескольких ТС производится синхронизация времени. T-Master устанавливает часы ТС в соответствии с часами ЦУ. В процессе работы узнает у каждой ТС смещение часов от времени в ЦУ и вводит поправки.

После инициализации производится установка логического соединения между устройствами.

Рис. 4.16. Внешняя направленная антенна AN24-1400 для использования в составе центрального устройства и технологической станции

Если соединение установлено, то с технологической клавиатуры устанавливается состояние системы. Система может находиться либо в состоянии работы, либо в состоянии ожидания. Если система в состоянии ожидания, то она ждет переключения в рабочий режим.

Если включен режим работы, то система производит контроль или управление торможением. При контроле вводятся сигналы с датчиков давления в ТС. Затем включается программа передачи сигнала из ТС. После этого ЦУ принимает посылаемый сигнал и формируется массив данных, с которыми ЦУ продолжит работу.

При режиме торможения формируется команда торможения по позиции крана машиниста в ЦУ. Эта команда передается в ТС. В свою очередь ТС принимает данный сигнал и исполняет команду.

Контрольные вопросы и задания

1.Назовите виды технологий беспроводной передачи данных.

2. Какие принципы используются в работе беспроводной сети RADIO ETHERNET?

3.Назовите основные характеристики семейства протоколов 802.11

4 Как обеспечивается безопасность в беспроводных сетях?

5.Как реализуется беспроводная сеть для управления грузовым поездом на основе технологии RADIO ETHERNET?

Дата добавления: 2015-07-24