1. No category

Utbildningssimulator av funktioner i
spårfordon
Educational simulator of functions in
rail vehicles
Hårdvarusimulator med felsökning på dörrsystem
Niklas Eriksson
Patrik Lifvendahl
Examensarbete inom
Elektroteknik
Grundnivå, 15 hp
Handledare på KTH: Anders Lindahl
Examinator: Thomas Lind
TRITA-STH 2015:036
KTH
Skolan för Teknik och Hälsa
136 40 Handen, Sverige
Sammanfattning
I denna rapport beskrivs en utvecklad utbildningssimulator över spårfordon och dess delkomponenter på järnvägen. Simulatorn är en hårdvarubaserad prototyp över ett dörrsystem
på spårfordon. Prototypen ska användas av systemspecialister och tekniker inom järnvägsbranschen. Simulatorn ger användare en teknisk demonstration av hur komponenter fungerar i ett dörrsystem. Prototypen innehåller motor, brytare, reläer och givare. Komponenterna
används för att illustrerar funktioner i ett dörrsystem på ett spårfordon. Utbildningssimulatorn kontrolleras med en styrenhet och genom tryckknappar för manuell styrning. För demonstration av säkerheten vid av och ombordstigning används en optisk givare som symboliserar hinderdetektering.
Utbildningssimulatorn har två vanliga fel inbyggda: kabelfel och jordfel. En instruktionsmanual bestående av ett kretsschema används för felsökning. Kretsschemat över dörrsystemet används för hitta felen och åtgärda dem. I felanalysen ingår de faktorer som är orsaken
till att de vanligaste felen inträffar på ett spårfordon. Dörrsystem tar emot diagnostiska koder från en dörrdator som styr prioriteringen på vilka åtgärder som ska göras.
Nyckelord
Utbildningssimulator, spårfordon, hårdvarubaserad, dörrsystem, prototyp, hinderdetektering, instruktionsmanual, felsökning, felanalys och diagnostiska koder.
Abstract
This report is a description of a developed educational simulator over rail vehicles and its
components. The simulator is a hardware-based prototype over a door system on rail vehicles. System specialists and technicians will use the prototype. The Simulator should give
the user a technical demonstration on how components work in a door system. The prototype consists of motor, switch, relay and sensor. The components are used for illustration of
the functions in a door system on a rail vehicle. The educational simulator is controlled
with a control unit and with pushbuttons for manual control. For demonstration of the
boarding security an optical sensor is used as symbolize for the obstacle detection.
The educational simulation has two embedded common faults: cable fault and ground fault.
The instruction manual consists of a circuit diagram and is used for troubleshooting. The
circuit diagram over the door system is used to find the faults and to correct them. The fault
analysis includes the factors, which is the reason for the most common faults to occur in a
rail vehicle. Door system receives diagnostic code from a door computer that control prioritizing for arrangements that will be made.
Keywords
Educational simulator, rail vehicle, hardware-based, door system, prototype, obstacle detection, instruction manual, troubleshooting, fault analysis and diagnostic code.
Förord
Vi valde att göra detta examensarbete på grund av att vi tyckte detta var ett intressant arbete. Kombinationen av järnvägen mot andra kurser i vår utbildning gjorde det extra intressant.
Examensarbetet genomfördes under våren 2015 på högskoleingenjörsprogrammet Elektroteknik på KTH.
Vi vill tacka vår uppdragsgivare Twindej och speciellt vår handledare Markus Dejeby som
lagt ner mycket tid för att hjälpa oss med arbetet. Vi vill också tacka vår handledare på
KTH Anders Lindahl som gav oss många bra tankar runt vårt arbete och hur rapporten ska
utformas.
Innehåll
1 2 Inledning ............................................................................................................................................................. 1 1.1 Bakgrund ..................................................................................................................................................... 1 1.2 Problemformulering ................................................................................................................................... 1 1.3 Målsättning ................................................................................................................................................. 1 1.4 Avgränsningar ............................................................................................................................................ 2 1.5 Författarnas bidrag till examensarbetet .................................................................................................... 2 1.6 Ordlista ....................................................................................................................................................... 2 Teori och bakgrund ........................................................................................................................................... 3 2.1 Simuleringsverktyg .................................................................................................................................... 3 2.2 Bakgrund för utbildning inom järnvägsbranschen .................................................................................. 3 2.3 Fyra tillämpningar på marknaden ............................................................................................................ 3 2.3.1 OpenTrack .......................................................................................................................................... 3 2.3.2 RailSys ............................................................................................................................................... 4 2.3.3 Hårdvaruverktyg................................................................................................................................ 4 2.3.4 Hybridverktyg .................................................................................................................................... 4 2.4 2.4.1 Öppning av passagerardörr ............................................................................................................... 5 2.4.2 Öppning av utfällbart steg ................................................................................................................. 5 2.4.3 Stängning av passagerardörr............................................................................................................. 6 2.4.4 Stängning av utfällbart steg............................................................................................................... 6 2.4.5 Hinderdetektering i dörr ................................................................................................................... 6 2.5 Komponenter i ett dörrsystem ...................................................................................................................7 2.5.1 Rörelsesensor ......................................................................................................................................7 2.5.2 Relä .....................................................................................................................................................7 2.5.3 Temperaturgivare ...............................................................................................................................7 2.5.4 Strömställare ......................................................................................................................................7 2.6 3 Teknisk bakgrund – dörrsystem X61 ........................................................................................................ 4 Fel i system på spårfordon ........................................................................................................................ 8 2.6.1 Jordfel ................................................................................................................................................ 8 2.6.2 Reläfel ................................................................................................................................................ 8 2.6.3 Givarfel .............................................................................................................................................. 9 2.6.4 Kabelfel .............................................................................................................................................. 9 2.6.5 Kraftfel ............................................................................................................................................... 9 2.7 Test- och simuleringsprogram .................................................................................................................. 9 2.8 Två styrenheter för prototypen ................................................................................................................10 Metoder och resultat ........................................................................................................................................ 11 3.1 Metodik och lösningsmetoder .................................................................................................................. 11 3.1.1 Metod ................................................................................................................................................. 11 3.1.2 Analys över styrenheter .................................................................................................................... 12 3.2 3.2.1 Blockschema...................................................................................................................................... 13 3.2.2 Flödesschema ................................................................................................................................... 14 3.2.3 Kopplingsschema .............................................................................................................................. 15 3.2.4 Konstruktion ..................................................................................................................................... 16 3.3 Verktyg och experimentuppsättning ........................................................................................................ 18 3.3.1 Komponenter i prototypen ............................................................................................................... 18 3.3.2 Funktion Frilägg .............................................................................................................................. 20 3.3.3 Funktion Öppna............................................................................................................................... 20 3.3.4 Funktion Stänga ............................................................................................................................... 21 3.3.5 Styrning av kravfunktion .................................................................................................................. 21 3.3.6 Instruktionsmanual .......................................................................................................................... 21 3.3.7 Fel i prototypen ................................................................................................................................. 21 3.4 4 Prototyp av dörrsystem i en utbildningssimulator .................................................................................. 13 Datainsamling ......................................................................................................................................... 22 3.4.1 Felanalys över spårfordon ............................................................................................................... 22 3.4.2 Prioriteringsöversikt över dörrsystem på X61 ................................................................................ 23 3.4.3 Diagnostiska koder över prioriteringstabellen ............................................................................... 24 Analys och diskussion ..................................................................................................................................... 29 4.1 Utveckling av prototypen för dörrsystem ................................................................................................ 29 4.1.1 Illustrering av standardfunktioner .................................................................................................. 29 4.1.2 Demonstration och simulering av fel .............................................................................................. 29 4.1.3 Kretsschema ..................................................................................................................................... 30 4.2 Utvärdering.............................................................................................................................................. 30 4.2.1 Felanalys........................................................................................................................................... 30 4.2.2 Pedagogisk synvinkel....................................................................................................................... 30 4.3 Granskning över valet av lösningar.......................................................................................................... 31 4.4 Hur påverkar en utbildningssimulator samhället ................................................................................... 31 Slutsatser ................................................................................................................................................................ 33 Källförteckning ....................................................................................................................................................... 35 Bilagor ..................................................................................................................................................................... 39 Bilaga 1 Kretsschema blad 1/3 ........................................................................................................................... 39 Bilaga 2 Kretsschema blad 2/3 .......................................................................................................................... 40 Bilaga 3 Kretsschema blad 3/3 ........................................................................................................................... 41 Bilaga 4 Kretsschema styrenhet......................................................................................................................... 42 Bilaga 5 Kretsschema över inbyggda fel ............................................................................................................ 43 Bilaga 6 Styrenhetens kod.................................................................................................................................. 44 1 | INLEDNING
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Projektet utvecklas för teknikkonsultföretaget Twindej som ligger i Västerås.
Företaget startades av tvillingarna Dejeby år 2008 och har haft en snabb utveckling sedan
starten för drygt sju år sedan och de är idag ett 50-tal anställda. Twindej verkar inom
branscher som ständigt utvecklas och förändras där kraven är stora. De har verksamheter
inom bland annat områdena: spårfordon, automation och elkraft.
Twindej har även en utbildningsavdelning där de säljer branschspecifika tekniska baskurser
och kompetensutveckling inom kvalitetsområdet. Utbildningarna kan exempelvis vara till
för personer som utbildar sig till systemspecialist eller servicetekniker inom spårfordon.
Företagets utbildningar ger kunskaper i branschspecifika områden som säkerhet, kvalité och
teknik. Twindej erbjuder ett urval av kurser däribland skräddarsydd ellära mot speciella
fordonstyper och grundläggande metodisk felsökning på spårfordonssystem. Utbildningarnas syfte är att förbereda deltagare på olika typer av problem som kan uppstå och metodisk
söka efter lösningar. De tillämpade utbildningarna är anpassade för att enkelt omsätta kunskaper till verklighet [1].
1.2 Problemformulering
Nyblivna systemspecialister och tekniker på underhållssidan i tågbranschen har i stor utsträckning bristande kunskaper i vissa grundläggande moment. Utbildningar och baskurser
inom spårfordon för systemspecialister är utformade efter omväxlande praktisk pedagogik i
olika miljöer och delvis teoretisk inlärning. Metoderna som används kan anses omoderna
och har avsaknad för en mer beskrivande del och teknisk demonstration. Förståelse om hur
essentiella komponenter i ett spårfordon fungerar och vad som sker när ett fel uppstår är
viktigt. Insikten i varför saker sker är väsentligt och kan implementeras utförligare i utbildningar för spårfordonssystem. Det är också viktigt att genom praktiska tillämpningar skapa
grundläggande kunskap för hur el- och digitalteknik fungerar. Ett verktyg som kan illustrera
olika system och funktioner på ett spårfordon skulle tillföra en bredare kunskapsbas för en
person som utbildar sig till tekniker eller systemspecialist.
1.3 Målsättning
Målet med examensarbete är att konstruera en prototyp på en hårdvarubaserad utbildningssimulator på spårfordon. Simulatorn ska innehålla:
•
•
•
Illustration av standardfunktioner med fordonskomponenter
Demonstration av två vanliga fel
Instruktionsmanual med kretsschema.
De två vanliga felen som illustreras i prototypen ska simuleras i Simulink eller OrCAD. En
analys över olika typer av fel som kan uppstå i ett dörrsystem och spårfordon ska utföras.
2 | INLEDNING
1.4
•
•
•
•
•
Avgränsningar
Prototypen omfattar delsystemet dörrsystem på spårfordon
Konstruktionen för utbildningssimulator är endast principiell för dörrsystem
Alla funktioner tas inte med
Budget på 30 000 kronor för materialkostnader
Tillgänglig arbetstid för projektet är tio veckor vilket motsvarar 800 timmar.
1.5 Författarnas bidrag till examensarbetet
Författarna Niklas Eriksson och Patrik Lifvendahl har gjort alla moment tillsammans.
1.6 Ordlista
DCU (Door Control Unit) = dörrdator som ger diagnostiska koder.
Tågväg = Är den utsatta rutt som en tågklarerare sätter.
Säkerhetsrelä = Övervakar signaler och slår ifrån vid en nödsituation.
Spårfordon = Drivfordon och vagnar sammankopplade (tåg).
Drivmekanismen = vid dörr öppning/stängning går dörren på den.
Ingångskrets = analoga och digitala kretsar.
3 | TEORI OCH BAKGRUND
2 Teori och bakgrund
I följande kapitel ges bakgrunden för utbildningssimulatorn över spårfordon. Det som tas
upp är simuleringsverktyg ur en pedagogisk synvinkel, utbildningsbakgrund i järnvägsbranschen, vad som finns på marknaden och teknisk bakgrund för dörrsystem X61. Tekniska komponenter, fel, simuleringsprogram och styrenhet behandlas också i kapitlet.
2.1 Simuleringsverktyg
Ur en pedagogisk synvinkel är inlärning från simuleringsverktyg en etablerad metod som
ständigt utvecklas. Simuleringsverktyg tillämpas i stor utsträckning inom medicinsk utbildning. Simulatorer ska utveckla studenters tekniska kunskaper innan de testas på patienter. I
detta syfte kan simuleringsverktyg ses som exemplariska eftersom de inte direkt kan påverka en patients hälsa och säkerhet. En persons inlärningskurva kan variera stort då alla är
olika individer med olika förutsättningar. Vissa personer har en snabb inlärningsförmåga
medan andra utvecklas i en stadig takt. En simulator kan bidra i större utsträckning till studenters möjlighet att skapa mer erfarenhet i det tilltänkta ämnet [2].
2.2 Bakgrund för utbildning inom järnvägsbranschen
Mycket av tekniken inom järnväg har funnits under en lång tidsperiod. Idag använder sig
företag av gammal men fungerande teknik. Järnvägsbranschen står inför en stor förändring
inom en snar framtid. Utbildningsverksamhet är alltid under ständig utveckling för att
hänga med i morgondagens teknik. I takt med att allt större del av samhället digitaliseras
ställs större krav på teknisk kunskap och förståelse. Nya metoder och tillvägagångsätt inom
utbildningsverksamhet för järnvägen skapas för att ersätta gamla metoder.
Utbildningsverktyg av den här typen består oftast av logiska digitalkretsar och någon form
av simulering eller demonstration. Vanliga funktioner och typiska fel som kan uppstå i ett
system illustreras fysiskt med hjälp av ett hårdvaruverktyg inklusive komponenter. Det kan
även illustreras med ett mjukvarubaserat simuleringsverktyg [3].
2.3 Fyra tillämpningar på marknaden
Det finns olika typer av testverktyg inom järnvägsbranschen både inom hårdvara och simulering. Järnvägssystem har flera påverkande faktorer som måste undersökas individuellt
men även tillsammans i ett större perspektiv.
2.3.1
OpenTrack
I Schweiz startades OpenTrack som ett forskningsprojekt för att utveckla en praktiskt och
ekonomisk lösning för komplexa järnvägsproblem. Idag används OpenTrack av de större
företagen inom järnvägsbranschen runtom i Europa för att modulera, simulera och analyser
järnvägssystem i ett flertal länder. OpenTrack analyserar bland annat tidtabeller, signalsystem, kapacitet, energikonsumtion och presenterar det genom diagram, statistik och grafiska
modeller [4]. För spårfordon kan OpenTrack lagra varje enskilt spårfordons tekniska data
däribland hastighet, längd, vikt och kraftsystem. Den lagrade informationen från spårfordon
sparas i en databas som kan användas för att kombinera ihop tåg och vagnar för att simulera
effekter under tågvägen [5].
4 | TEORI OCH BAKGRUND
2.3.2
RailSys
Trafikeringen av järnvägsnätet ökar ständigt i takt med att antalet passagerare och godstransporter ökar. Det ställs större krav på järnvägen gällande effektivitet och tidsplanering.
RailSys är en plattform för att skapa och planera tidtabeller och hantera problem i infrastrukturen på ett effektivt sätt. I plattformen ingår några olika delar:
•
•
•
•
2.3.3
Simuleringsverktyg som kan simulera ett dygn på järnvägen med olika problemsituationer.
Tidtabellsverktyg för att enkelt skapa ett mönster för tågväg under en heldag. Verktyget räknar ut och värderar körtider med hänsyn till spårfordon från andra nätverk.
Infrastrukturverktyg som kan beskriva och ändra olika typer av infrastrukturer utefter behov.
Utvärderingsverktyg som analyserar resultat från simulatorn och tillhandahåller information om förseningar, kvalitet och punktlighet för spårfordon [6].
Hårdvaruverktyg
De vanligaste testverktygen för hårdvara inom järnvägsbranschen baseras på funktionskontroll av enskilda eller hela system på spårfordon. Testerna innefattar allt från elektronik,
pneumatik, hydraulik, kraftförsörjning, mätutrustning och mekaniska komponenter. Järnvägsbranschen använder industristandarder för att på ett ekonomiskt och effektivt sätt kontrollera utrustning [7]. Många företag kontrollerar järnvägskomponenter till exempel växellåda, AC/DC motor, traktion mot branschens uppsatta industristandarder i testbänkar. Testutrustningen som används är större och mer resurskrävande än i fordon- och flygbranschen
[8].
2.3.4
Hybridverktyg
Ett sätt att testa hårdvara på ett spårfordon är att koppla ihop kontrollsystemet med en realtidssimulator. Kontrollsystemet skickar impulssignaler till simulatorn och de viktigaste utsignalerna är spänning, ström och mekaniska storheter som vridmoment och hastighet. Simulatorn simulerar mekaniskt och elektriskt beteende från spårfordon genom matematiska
beräkningar. En vanlig mätning i simulatorn är när tåget går från acceleration till broms och
hur motor och linjeströmmen påverkas [9].
2.4 Teknisk bakgrund – dörrsystem X61
För att ett spårfordon ska gå enligt tidtabell behöver fordonet ha ett effektivt dörrsystem.
Systemet gör att passagerare kommer av och ombord på spårfordon på ett säkert och effektivt sätt. Det är avgörande att systemet är pålitligt och säkert för att optimera av och ombordstigning för att spårfordon ska följa tidtabellen. Förseningar kan lätt uppstå på plattformen när personer går av och ombord på spårfordonet [10].
Dörrsystem kan vara antingen elektrisk- eller pneumatisk drivna. Komponenterna i ett dörrsystem drivs av 110 volt likspänning som tas från en batteribackup. Spänningen på batteriet
laddas upp från strömavtagare genom en transformator som först omvandlar ner till 420
volt hjälpkraft. När tåget är i trafik beror säkerhet och pålitlighet på samspelet mellan sensorer och givare som ingår i ett dörrsystem på spårfordon. För att undvika att passagerare
får klämskador i dörrarna vid stängning finns sensorer som känner av ifall något större föremål kommer i mellan dörrarna. Dörrsystem brukar vara uppbyggda för att bortse från små
5 | TEORI OCH BAKGRUND
föremål som kan vara fastklämda men inte större kroppsdelar. Det finns ett antal sensorer
som kontrollerar föremål mellan dörrarna under stängning/öppning och ett antal när dörren
är stängd/öppen [11].
Figur 1 Dörrar på spårfordon X61 stängt/öppet
För att öka säkerheten mellan spårfordon och plattform vid av och ombordstigning fylls
tomrummet med ett utfällbart trappsteg. Steget används för rörelsehindrade, barn och övriga passagerare. Trappsteget minskar avståndet och ger säkrare av och ombordstigning.
Det finns två varianter av trappsteget som förbättrar säkerheten: flyttbara steg och utskjutande steg. Flyttbara steg anpassas till tåglinjen med fasta lägen. Utskjutande steg används
för att underlätta för handikappade och passagerare med begränsad rörlighet att ta sig ombord på spårfordon. Fotsteget kan anpassas med sensorer för att fällas ut olika långt beroende på plattforms utformning [11].
2.4.1
Öppning av passagerardörr
Det finns tre sätt på ett spårfordon att öppna dörrar: passagerare, tågpersonal och centralstyrning. För att påbörja öppning på de tre sätten måste två krav uppfyllas: stillastående
spårfordon och frisläppning från förare. Ifall kraven inte längre uppfylls stängs dörrarna
omedelbart tills kraven på nytt uppfylls.
•
•
•
2.4.2
Öppning av Passagerare – Varje dörr är utrustad med tryckknappar på in- och utsidan. Möjligheten för passagerare att öppna tågdörr sker endast när spårfordon är
stillastående på plattform och indikeringar visar att det är tillåtet att öppna dörrar på
ena sidan av spårfordonet.
Öppning av tågpersonal – Vid varje dörr finns möjligheten att öppna spårfordonet
manuellt med en nyckel. Tågpersonal använder främst nyckel vid underhåll eller
låsning av passagerardörr. För att kunna öppna spårfordon med nyckel behöver fordonet uppfylla kravet stillastående.
Centralstyrd öppning – Lokföraren har möjlighet att från förarhytten öppna alla dörrar på ena sidan av tåget. Centralstyrningen har samma krav som för passagerare
och tågpersonal. När centralstyrning går in öppnas dörrar som håller på att stängas
[12].
Öppning av utfällbart steg
För att undvika olyckor när passagerare går av och ombord spårfordon fälls ett fotsteg ut
mellan spårfordon och plattform. Dörren kan inte öppnas förrän steget är fullständigt utfällt,
nått plattformen eller avstängd för underhåll. Steget har en öppningsbredd på 150 mm och
6 | TEORI OCH BAKGRUND
drivs av en stegmotor som fäller ut steget. Stationer har olika utformningar därför kan bredden mellan plattform och spårfordon variera vilket kan orsaka att steget går emot plattformen innan full utsträckning. För att hindra att stegmotorn går sönder finns en detektor som
mäter motorströmmen och när ett visst gränsvärde uppnås stängs motorn av och steget
stannar [12].
2.4.3
Stängning av passagerardörr
För stängning av passagerardörrar finns ett antal möjliga sätt på ett spårfordon: Centralstyrt,
automatiskt, tågpersonal, signalförlust av stillastående och underhållsstängning.
•
•
•
•
2.4.4
Centralstyrt – Lokföraren har möjlighet att centralt stänga alla passagerardörrar på
spårfordon. Fordonet stänger inte dörrarna direkt utan först ges varningssignaler sedan stängs alla öppnade dörrar samtidigt. Stängning prioriteras högre än öppning av
säkerhetsmässiga skäl. När centralstängning genomförs nollställs alla tidigare och
nya anrop till dörrar. Hinderdetektering aktiveras under detta förlopp. Ifall ett större
föremål stoppar dörren får föraren en indikering på att något fastnat i dörren och
öppnas på nytt.
Automatiskt – Efter en tidsbestämd period efter den sista rörelsen genom dörrområdet stängs dörrar. Det är endast passagerardörrar som blivit öppnade av passagerare
som påverkas.
Tågpersonal – Kan manuellt stänga och låsa dörrar med nyckel på samma sätt som
vid öppningen.
Signalförlust av stillastående – Då signalen försvinner stängs dörrar omedelbart och
varningssignaler används. Det är en säkerhetsrisk har detta läge högsta prioritet och
upphäver alla anrop som tidigare har getts. Hinderdetekteringen är inaktivt i detta
läge för dörrar och steg [12].
Stängning av utfällbart steg
Det utfällbara steget får stängningsanrop när den intilliggande dörren är stängd och låst
samt frisläppt från förare. Ifall dörren är stängd och ifall det finns frisläppning från förare
hålls steget ute till det får en avstängning från föraren [12].
2.4.5
Hinderdetektering i dörr
I dörrar finns olika detektorsystem som är en extra säkerhet för passagerare och utrustning i
dörrsystem däribland: övervakning av motorström, känslighetsövervakning i dörrkant och
realtidsövervakning.
•
•
•
Övervakning av motorström – Varje gång dörrar öppnas/stängs mäts motorströmmen och lagras i DCU. Ifall motorströmmen överskrider ett nominellt mätvärde aktiveras hinderdetekteringen. Belastningen vid öppning/stängning av dörr varierar
därför lagras en kurva över belastningen.
Känslighetsövervakning i dörrkant – Varje tågdörr har en sensor som mäter ifall det
finns något hinder mellan dörrar och skickar informationen till DCU. Ifall något
upptäcks mellan dörrarna skickas diagnostiska koder till DCU.
Realtidsövervakning – Skickar ett antal pulser under en tidsperiod, ifall antalet pulserna minskar kommer dörren att öppnas [12].
7 | TEORI OCH BAKGRUND
2.5 Komponenter i ett dörrsystem
I ett dörrsystem används ett flertal komponenter däribland rörelsesensor, relä, temperaturgivare och strömställare.
2.5.1
Rörelsesensor
Rörelsesensorer används i många olika system för att detektera rörelser. Sensorn är ett
verktyg för rörelseövervakning och vid upptäckt av rörelse översätts det till elektriska signaler. Detekteringen av rörelse kan ske genom att sensorn genererar signaler och känner av
ändringar i reflekteringen. Sensorn kan också känna av signaler från en objektrörelse. Det
finns många olika typer av sensorer för detektering av rörelser som använder olika tekniker
[13]. Dessa inkluderar:
•
•
•
•
•
•
Passiva och aktiva infraröda sensorer
Fotoelektriska sensorer
Magnetiska sensorer
Mikrovågssensorer
Akustiska sensorer
Mekanisk brytare
Mekaniska brytare är de enda sensorerna som kräver fysisk kontakt för att känna av rörelse.
Aktiva infraröda sensorer kräver minst en sändare och mottagare för att detektera rörelse.
Passiva infraröda sensorer detekterar rörelse genom att känna av strålning av värmeenergi.
Magnetiska sensorer detektera endast föremål som är magnetiska eller innehåller järn [13].
2.5.2
Relä
Ett relä består av en krets med en styrsignal som växlar mellan antingen normalt öppen eller
normalt slutet. Kretsen följer ett förutbestämt mönster för att övervaka, styra, manövrera
och reglera utrustning. Relä består av en spole och ankare och är en elektromagnetisk krets
med rörliga delar. Relä kan både vara tidsfördröjd och momentana och en relägrupp kallas
reläskydd [14].
2.5.3
Temperaturgivare
Temperaturgivare kan bestå av en NTC termistor som mäter temperaturen med variationer i
motstånd (ohm). Temperaturmätning används i utrustning eftersom kablage, transformatorer och utrustning åldras snabbare vid ökad temperatur [15].
2.5.4
Strömställare
En strömställare är en variant av en brytare som består av elektromagnetiska kontakter.
Livslängden på strömställare varierar då kontakterna slits vid till- och frånslag. För att påverka strömställaren används olika varianter av kontakter till exempel vippor, tryckknappar
och hävarmar [16].
8 | TEORI OCH BAKGRUND
2.6 Fel i system på spårfordon
Tekniken och komponenterna som används på ett spårfordon innefattas av automatiserade
system. Automationsteknik som behandlar automatiserade system används i många olika
branscher och en bra förståelse för hur den fungerar är viktig. Tekniken innebär att processer kan styras automatiskt och operera självständigt.
Inom automationstekniken på spårfordon kan det uppstå många olika typer av fel som alla
kan ha olika stor påverkan på systemet. Generellt kan de främst förekommande feltyperna
kategoriseras i två huvudgrupper: kraftförsörjningsfel och styrkretsfel. Grupperna innefattar
bland annat: jordfel, reläfel, givarfel, kabelfel och kraftfel.
2.6.1
Jordfel
När ström tar en alternativ väg till jordpunkt eller ledande del kallas det jordfel. Strömgenomgång behöver inte ta den kortaste vägen till jordpunkten utan det beror på vad motståndet i ledaren eller höljet är [17]. Läckström är ett annat namn på jordfel. Läckströmmar
kan uppstå vid åsknedslag, isolering som torkar samt vibrationer. Läckströmmar kan orsaka
skador på utrustning och även vara ”en fara för personer, husdjur och egendom” [18]. Det
finns tre typer av jordfel: intermittenta, enfasiga och dubbla jordfel.
•
•
•
2.6.2
Intermittenta fel blir vanligare när mängden kablage ökar. Felen uppstår när jordfelets ström går från uppladdat till urladdat. Vanligast är intermittenta jordfel och
ljusbågar som växlar från tänd till släckt.
Enfasiga fel på en fas kan vara både låg- och högt motstånd. När motstånd ansluts
över en fas ökar impedansen vilket gör att nätet blir snedbelastat. Resultatet blir att
nollpunkten på ström och spänning blir högre.
Dubbelt fel uppkommer efter att det enfasiga jordfelet höjt spänningen på övriga faser. Isolationsförmågan över faserna gör att ytterligare jordfel uppkommer vilket resulterar ett dubbelt jordfel [19].
Reläfel
I ett elkraftsystem kan det uppstå många fel med olika orsak och påverkan. System är uppbyggt med skydd för att hantera dessa fel. Skydden består i huvudsak av brytare eller relä
vars funktion är att skydda objekt i system som kan skadas. Vanligt förekommande reläskydd är elektromekaniska eller baserade på mikroprocessorer. Skydden innehåller en
eller flera mätfunktioner och de är anpassade efter fel som uppstår i systemet. De kan kategoriseras utefter vilken storhet som mäts till exempel ström eller spänning [20]. Vanliga fel
som kan uppstå på elkraftsystem är: överström, jordfel och över- och underspänning som
kräver skydd:
•
•
Överström inträffar vid överbelastning eller kortslutning på ett nät. Strömmen kan
bli mycket hög och orsaka skador på objekt eller person. Därför används ett reläskydd i form av ett överströmsskydd. Med överström menas den ström som överstiger den dimensionerade märkströmmen för ett system eller en anläggning. Reläskyddet mäter den inkommande strömmen och frånkopplar delar av ett system om
strömmen överstiger det förbestämda värdet [20].
Jordfel innebär att en ström leds mellan en eller flera fasledare till jordningspunkten.
Reläskyddet som används vid detektering av jordfelströmmar kallas jordfelsskydd
och mäter nollföljdsströmmar. När strömmen överstiger det inställda värdet på
9 | TEORI OCH BAKGRUND
•
2.6.3
skyddet frånkopplas delen i anläggningen. Vanligtvis blir felströmmar inte höga och
därför används inte överströmsskyddet [21].
Över- och underspänning inträffar vid reglering av spänning i ett kraftnät. Det uppkommer bland annat i transformatorer, spänningsregulatorer och kondensatorbatterier. Spänningsmätande skydd används för att övervaka spänningen. Skyddet reagerar på spänningar som överstiger eller understiger det reglerade spänningsvärdet för
kraftnätet [22].
Givarfel
Fel på en givare beror på att givaren slutar att fungera elektriskt eller mekaniskt. Konsekvenserna av givarfel blir att givaren ger signaler utan att påverka. En givare är viktig i ett
system och vid givarfel som inte upptäcks blir konsekvenserna kostsamma. Det finns en
mängd olika givare med olika funktioner till exempel: lägesgivare, tryckgivare, temperaturgivare och nivågivare [23].
2.6.4
Kabelfel
Det finns två vanliga typer av kabelfel som uppstår: kortslutning till jord och mellan signaler. Kortslutning till jord är svårt att reparera då felet uppträder på många sätt. Bästa sättet
att hitta kortslutning till jord är att göra kretsen spänningslös och använda en multimeter för
att mäta mellan punkter för att hitta kontakt. Kortslutning mellan två signaler uppträder när
kablage blir sammankopplade. För att åtgärda kortslutningen kontrolleras kablaget med en
summerfunktion på en multimeter för att hitta elektrisk kontakt mellan kablar [23].
2.6.5
Kraftfel
Kraftfel innebär att det uppstår ett fel i den del som matar resterande delar av systemet.
Matningen av systemet kan både vara elektrisk och pneumatisk vilket således definierar
felet. Vanligt fel vid elektrisk matning kan vara att spänning saknas eller att den håller en
felaktig nivå. Felaktiga spänningsnivåer kan orsakas av spänningsaggregatet, dåliga ledningar och förbindningar. Spänningsaggregatet kan ge ut en felaktig spänning på grund av
överbelastning eller förslitning på aggregatet. Dåliga ledningar och förbindningar kan göra
att spänningsnivån blir för låg på grund av ett ökat motstånd [23].
Samma princip gäller vid pneumatisk drivning, matning saknas eller är felaktig. Pneumatisk
utrustning innefattas av till exempel regulatorer och ventiler. För att fungera kräver oftast
pneumatisk utrustning ett relativt stabilt tryck [23].
2.7 Test- och simuleringsprogram
Simulink är ett mjukvarubaserat program integrerat med MATLAB. Miljön i Simulink är
uppbyggt av blockdiagram och används för simulering och modelldesign. Olika egenskaper
som Simulink har:
•
•
•
•
Modellera fysiska system och algoritmer med hjälp av blockdiagram.
Simulera olika system för att analysera svaret grafiskt.
Effektivt designa modeller för bättre prestanda och snabbare system.
Sammankoppling med olika hårdvaruenheter som Raspberry Pi och Arduino [24].
OrCAD är ett CAD program med verktyg som används för design och analys av elektriska
system. OrCAD består av olika produkter däribland Capture, Pspice och PCB designer.
10 | TEORI OCH BAKGRUND
Pspice är en simulator som används för att bygga och simulera digitala och analoga kretsar
[25]. Olika egenskaper som Pspice har:
•
•
•
Simulering av olika kritiska elektriska kretsar eller komponenter.
Analysera och optimera system för bättre prestanda.
Anpassa ett system för att skapa speciella lösningar eller förutsättningar [24].
2.8 Två styrenheter för prototypen
För att elektroniskt styra utbildningssimulatorn som ska illustrera dörrsystem i spårfordon
behövs en styrenhet i produkten. På marknaden finns två snarlika produkter med stark position på marknaden och många möjligheter för vidareutveckling. Båda tillverkarna har
samma uppbyggnad, de är tillverkade direkt på kretskort och är båda i storleksordningen av
ett kreditkort [26]. Arduino har flera valmöjligheter däribland: Uno och Mega [27], [28].
Arduino Uno har få utgångar vilket kan ge problem vid vidareutveckling av produkten.
Arduino Mega och Raspberry Pi har liknande antal in- och utgångar och snarlik prisnivå.
Tabell 1 Jämförelse av styrenheter
Styrenhet
Digitala portar
Analoga portar
Minne
Anslutningar
Spänning
Arduino Uno
14
4
32 kb
1xUSB
5V
Arduino Mega
54
16
256 kb
1xUSB
5V
Raspberry Pi
40
40
1 GB
4xUSB, HDMI
5V
11 | METODER OCH RESULTAT
3 Metoder och resultat
I följande kapitel presenteras metodik och lösningsmetoder, prototyp, komponenter och fel
för utbildningssimulatorn i dörrsystem.
3.1 Metodik och lösningsmetoder
I följande avsnitt beskrivs en metod i fem steg över utförandet av arbetet med utbildningssimulatorn och en analys av styrenhet.
3.1.1
Metod
Analysera dörrsystem på spårfordon X61 och i allmänhet undersöka funktioner som används i dörrsystem samt vilka komponenter som är viktiga.
Steg 1:
•
Konstruktion av en prototyp av ett dörrsystem för spårfordon med komponenterna
som krävs för funktionerna (Frilägg), (Öppna) och (Stänga).
Steg 2:
•
Ta fram mjukvara som ska användas för att styra funktionen (Frilägg) med två krav.
Prototypen styrs genom kraven stillastående och parkeringsbroms.
Steg 3:
•
Utveckla ett kretsschema över prototypen som ska fungera som en instruktionsmanual.
Steg 4:
•
Konstruera två vanliga fel för spårfordon och applicera dem i prototypen för dörrsystemet.
Steg 5:
•
Analysera fel i spårfordon. Fel som uppstår kan vara från något av de system som
finns på ett spårfordon.
12 | METODER OCH RESULTAT
3.1.2
Analys över styrenheter
En fördel med Arduino är att det finns många tillsatser som kan kopplas ihop med till exempel Ethernet, sensorer, regulatorer m.m. Det som talar för Raspberry Pi är att det är en
minidator och många komponenter redan är inbyggda i produkten däribland Ethernet och
HDMI [29]. Raspberry Pi har fördelen att den kan koppla in skärm och tangentbord för
styrning av produkten. Jämfört med Arduino där ett program laddas in från en dator vilket
gör att produkten blir begränsad. Arduino som saknar vissa funktioner för styrning av produkten och behöver ett antal tillsatser. I nuvarande utförande behöver inte produkten alla de
tillsatser som finns inbyggda i Raspberry Pi men då tanken är att ha en produkt med vidareutveckling behövs lite funktioner för säkerhetsskull och extra minne. Raspberry Pi kan programmeras i ett antal språk däribland: Scratch, Ruby, C/C++ och Python. Rekommendationen från Raspberry är Python som är vanligaste språket. Arduino använder Wire som är
ett C/C++ liknande språk som är uppdelat i tre huvudavsnitt: struktur, variabler och funktioner.
3.1.2.1
Slutsats över analys av styrenhet
Då Raspberry Pi redan är en minidator behövs inga tillsatser för att få liknande funktioner
som Arduino Mega. Raspberry Pi ger en lägre slutkostnad vid behov av fler funktioner. För
att i ett senare skede vidareutveckla produkten med nya funktioner behövs bättre förutsättningar vilket gör att Raspberry Pi är ett bättre val jämfört med Arduino Mega och Uno. I ett
nuvarande tillstånd där endast ett system används kan alla tre produkter användas. Därför
väljs Arduino Uno då produkten inte behöver lika många in- och utgångar och prisnivån
skiljer sig markant från övriga produkter.
13 | METODER OCH RESULTAT
3.2 Prototyp av dörrsystem i en utbildningssimulator
I följande avsnitt ges en beskrivning av hur utbildningssimulatorn är uppbyggd med blockschema, flödesschema, kretsschema och konstruktion.
3.2.1
Blockschema
Utbildningssimulatorn drivs från ett vägguttag genom en omvandlare som transformerar
230 volt växelspänning till 24 volt likspänning. Krav 1 är styrenhet och krav 2 styr friläggning av dörr som består av de två huvudkraven: stillastående tåg och parkeringsbroms. Styrenheten styr tryckknappen krav 1 som skickar en godkännande impuls till tryckknappen
krav 2. Ifall styrenheten kopplas bort körs simulatorn enbart från krav 2. Relä 2 styr kravet
för att frilägga spårfordonet medan relä 4 styr tryckknappen för (Frilägg). Relä 3 styr tryckknappen (Öppna) av passagerardörr på spårfordon. För att flera kombinerade funktioner
under öppningen ska utföras går styrningen genom tre reläer. Relä 4 startar motorn och
öppnar dörrarna. Under tiden motorn är aktiverad för att öppna dörr aktiveras indikeringen
S3 (dörr i rörelse). När motorn har nått ändläge aktiveras indikeringen S2 som styrs genom
relä 1 och stänger av motorn. När tryckknappen stängning aktiveras går en signal till relä 6
som har två funktioner: indikering S1 stänger motorn när dörren är helt stängd, relä 9 växlar
polerna på motorn för att kunna stänga och relä 5 stänger av motorn. För säkerheten ska
uppnås på dörrsystemet finns en optisk rörelsesensor som känner av rörelser mellan dörrar
och avbryter stängning/öppning ifall hinder kommer emellan. Sensorn styrs genom en
kombination av relä 7, relä 8 och relä 4 som stänger motorn. Relä 7 växlar polerna på motorn för att kunna öppna. På relä 11 och 5 finns även ett kabelfel som aktiveras med en
tryckknapp. Genom en kombination av relä 8 finns en kortslutning (jordfel) på avstängningen av motor.
Figur 2 Blockschema över utbildningssimulatorn
14 | METODER OCH RESULTAT
3.2.2
Flödesschema
Utbildningssimulatorn startas genom styrenheten eller krav 2. Styrenheten styr krav
1 vilket är ett villkor för att använda krav 2. Ifall styrenheten kopplas bort kan man
starta från krav 2. För att frilägga behöver villkoren stillastående och parkeringsbroms uppfyllas. När villkoren är uppfyllda kan man frilägga dörrarna. Efter friläggning kan man öppna dörren. När dörr öppning är intryckt startas motorn och
dörren öppnas. Under tiden dörren öppnas indikerar S3 med en diod för dörr i rörelse. Ifall ett hinder upptäcks stänger hinderdetekteringen O1 av motorn. När dörren är öppen stängs motorn av och en diod för S2 lyser. Dörrstängningen fungerar
på samma sätt som vid öppningen men med skiftande polaritet på motorn. När dörren är stängd indikerar S1 med en diod.
Figur 3 Flödesschema över utbildningssimulatorn
15 | METODER OCH RESULTAT
3.2.3
Kopplingsschema
Kretsschemat är konstruerat i ORCAD. Totalt består kretsschemat av fem blad där de tre
första består av instruktionsmanual och de två sista av fel och styrenhet. Blad 1 består av
funktionerna: Frilägg, Öppna, Stänga. Krav 2 och dörr öppen är delfunktioner för att de
andra ska fungera. När kablage går vidare till andra blad finns hänvisningar (/x.x) för att
läsaren ska fortsätta på de övriga bladen. Längst ner på varje blad är reläernas tillstånd utsatta och de kan vara både slutna och öppna. Blad 2 beskriver inkoppling av optisk sensor,
stängning av motor och styrenhet. Blad 3 beskriver inkopplingen av motorn. I bilagor finns
ett komplett kopplingsschema över hela prototypen där även fristående blad på inkopplade
fel och styrenheten. I kretsschemat finns förkortningar bredvid komponenterna.
•
•
•
•
•
K = Relä
SW = Tryckknapp
S = Vippströmställare
O = Optisk givare
D = Diod
5
4
3
2
1
11CCC1
grrgggg
CCCCCCCCCCC
D
CCCCCC
C
1
C11
C
aarra
C11
C
C
14
CC55
5
37
9
8
233
12
233
2
6
30
C
CC
11
CC
vW
C
23
24
C
vW
C
CC
2v3
1
7
3
C
CC
1C
C
vW
1C
C
D
C11C
1C
232
CC55
40
11
5
CC
C rrC aarrC
grgrgCarCrrrrr
1rarCC
11
11
CCCCCCCCrrrrrrrr
grgrg
C18
vW
C
C17
4
10
11
C16
CC
27
22
C19
11
34
C
8
32
11
1
CC
1C
9
11
2v2
12
C
CCC5C
1C
19
CCC55
33
25
B
C1C
A1
C1C
A2
A1
C15
A2
A1
C1C
A2
A1
C11
A2
A1
B
A2
CC55
CC15C
5
9
CCC55
11
1C
CCC5C 1C
8
CCC5C
8
1C
CCC55
C1
CC
CCC5C 9
5
CC15C
11
1C
CC15C 11
1C
A
A
eeeee
veve
A
Dteet
5
4
emevmemvDmvvmmmeev
Dvvvvevevvvvvev
1
evemmtm5v5vvev025v2015
3
Figur 4 Kopplingsschema över blad 1/3 på utbildningssimulatorn
2
vev
111
vteee
1
vf
1
3
16 | METODER OCH RESULTAT
3.2.4
Konstruktion
Konstruktionen illustrerar prototypen över utbildningssimulatorn för dörrsystemet.
Längst upp till vänster ligger spänningstransformatorn som ger plintarna under matning
och jord. Längst upp i mitten sitter en box med tryckknappar och dioder som styr utbildningssimulatorn manuellt. Under boxen med tryckknappar finns reläerna som styr
funktionerna. Under reläerna sitter illustrationen av öppning och stängning av dörr med
optisk givare och strömställare. Till höger om reläerna finns styrenheten med krav 1.
Figur 5 Konstruktion av prototypen över utbildningssimulatorn
17 | METODER OCH RESULTAT
Konstruktionsritning
•
För att få en överskådlig bild över placering av komponenter i utbildningssimulatorn
presenteras en konstruktionsritning. Simulatorn är placerad på en träplatta som är i
storleken 30 x 60 cm. Ritningen är inte skalenlig mot den verkliga konstruktionen.
Måttangivelser är riktiga för de komponenter som används i simulatorn.
Figur 6 Ritning med mått över utbildningssimulatorn
18 | METODER OCH RESULTAT
3.3 Verktyg och experimentuppsättning
I följande avsnitt ges en förklaring på komponenter som används i utbildningssimulatorn
och vad de har för funktioner. Styrning över kravfunktionen, förklaring på instruktionsmanual och en felanalys.
3.3.1
Komponenter i prototypen
För ett fungerande dörrsystem på spårfordon ingår speciella krav och funktioner. För att
uppfylla kraven och funktionerna användes dessa komponenter i utbildningssimulatorn:
•
•
•
•
•
•
•
Likspänningstransformator
Relä
Likströmsmotor
Strömställare
Lysdiod
Arduino Uno
Optisk givare med reflektor
Dörrsystem i ett spårfordon drivs av 110 volt likspänning men för att lättare illustrera funktionerna användes 24 volt likspänningskomponenter i utbildningssimulatorn. En likspänningstransformator användes för att transformera ner 230 volt växelspänning från vägguttaget till 24 volt likspänning.
Figur 7 Likspänningstransformatorn (230VAC/24VDC)
Det används elva stycken 24 volts likspänningsreläer i konstruktionen för att styra och driva
komponenterna i funktionerna.
Figur 8 Relä
För att kunna öppna och stänga dörren i produkten används en likströmsmotor på 24 volt.
För att illustrera mekaniskt öppning och stängning av dörrarna anordnades en dörrmekanism bestående av ett kugghjul och en tillhörande plint. För säkerhet kring dörrar används
optiskt givare som illustrerar hinderdetektering.
19 | METODER OCH RESULTAT
Figur 9 Likströmsmotor
Produkten använder två typer av strömställare: Mikrogap och tryck. Mikrogapströmställare
har en extern hävarm som växlar mellan av/på och används till att styra öppning/stängning
av dörr med hjälp av likspänningsmotorn.
Figur 10 Mikrogapströmställare
Tryckströmställare är en tryckknapp med dubbeltryck eller momentan som används för att
styra produktens funktioner.
Figur 11 Tryckströmställare med diod och brytare
För att indikera status på funktionerna i simulatorn finns totalt nio lysdioder: tre på varje
rad som från vänster är gula, gröna och röda. På den undre raden placeras strömställare. S3
aktiveras under tiden dörren öppnas/stängs och indikerar med en gul diod. S2 aktiveras när
dörren är helt öppen och indikeras med en grön diod. S1 aktiveras när dörren är helt stängd
och indikeras med en röd diod. Krav 1 indikeras med gul diod när tryckknappen för styrenheten är aktiverad. Krav 2 indikeras med grön diod när tryckknappen är intryckt. På mellersta raden är optisk givare O1 placerad och när något kommer emellan dörrarna bryts
öppning/stängningen och indikeras med en röd diod.
Figur 12 Funktionsstyrning med tryckknappar och dioder
20 | METODER OCH RESULTAT
3.3.2
Funktion Frilägg
För att dörrarna ska kunna friläggas måste kraven stillastående och parkeringsbroms vara
uppfyllda. För att illustrera friläggningen skapades en funktion med komponenterna
Arduino och två tryckknappar.
Figur 13 Arduino och strömställare
Styrenheten som används i prototypen var mikrokontrollerkortet Arduino. I funktionen (Frilägg) används Arduino till signalhantering. Styrenheten skickar en signal till tryckknappen
som illustrerar krav 1. Krav 1 används endast när styrenheten är inkopplad och är ett villkor
för att använda simulatorn. När tryckknappen för krav 1 var intryckt kunde funktionen fortsätta till krav 2. Krav 2 består av två villkor: parkeringsbroms och traktion vilket illustrerades med en röd tryckknapp. När tryckknappen var intryckt möjliggjordes att friläggningen
kunde aktiveras.
3.3.3
Funktion Öppna
När kraven var uppfyllda och funktionen (Frilägg) aktiverad kunde dörrarna öppnas. Funktionen (Öppna) var beroende av komponenterna:
•
•
•
Likströmsmotor
Strömställare
Optisk givare
Funktionen (Öppna) startades med en tryckknapp. Tryckknappen kopplades till likströmsmotor som startade öppning av dörren. På motorn monterades ett kugghjul som drev
en plint framåt för att illustrera en rörelse som beskrivs att dörren öppnas. En strömställare
monterades in i prototypen för att indikera när dörren var helt öppna. När plinten var i sitt
ändläge bröt strömställaren kretsen för att stänga av motorn. Funktionen (Öppna) var beroende av en optisk givare. För att kontrollera dörröppningen var fri från hinder användes
givaren för att detektera rörelse. Vid detektering bröt givaren motorkretsen och stannade
motorn för öppningen av dörren. Funktionens status illustrerades av en strömställare och en
diod.
Figur 14 Optisk sensor med reflektor
21 | METODER OCH RESULTAT
3.3.4
Funktion Stänga
Precis som funktionen (Öppna) hade prototypen en funktion för att stänga dörren. I princip
användes samma komponenter i funktionen för (Stänga) som (Öppna). För att få funktionen
(Stänga) att fungera användes komponenterna:
•
•
•
Likströmsmotor
Strömställare
Optisk givare
Stängningen av dörren startades genom en tryckknapp. Knappen var kopplad till samma
motor som användes vid öppningen men med skiftad polaritet och motorn drev plinten åt
motsatt riktning. Även i denna funktion fanns en strömställaren i ändläget som bröt spänningen till motorn när dörren var helt stängd och en indikator för statusen på funktionen. På
samma sätt användes också den optiska givaren för att bryta spänningen och avbryta stängningen av dörren när ett hinder detekterades.
3.3.5
Styrning av kravfunktion
Konstruktionen drivs från vägguttaget via en likspänningstransformator. Komponenterna
som används i konstruktionen matades med 24 volt förutom styrenheten som inte kan hantera den spänningen. För att lösa problemet används drivkretsen ULN2003A tillsammans
med styrenheten Arduino. Drivkretsen är uppbyggd av sju par av transistor och hanterar
högre spänningsnivåer än vad Arduino klarar av. Detta innebar att via drivkretsen kunde 24
volts komponenter styras från Arduino med en 5 volts signal. I konstruktionen används
kopplingen endast för att hantera kravfunktionen.
3.3.6
Instruktionsmanual
Användaren startar utbildningssimulatorn genom att slå på strömmen. Genom att använda
tryckknappar illustreras funktionerna på dörrsystemet. För att förstå hur komponenterna
fungerar använder användaren ett kretsschema. För inlärningen finns två vanliga fel inbyggda. För att komma åt felen får används de tryckknappar som framkallar felen i utbildningssimulatorn.
Bilagorna består av:
•
•
•
•
3.3.7
Blad 1-3 instruktionsmanual för användare
Blad 4 beskrivning av hur styrenhet är inkopplad i utbildningssimulatorn
Blad 5 beskrivning av hur felen är inkopplade i simulatorn
Blad 6 styrenhets kod.
Fel i prototypen
I prototypen finns två fel inbyggda: kabelfel och jordfel. Felen finns inte på kretsschemat
som användaren utgår från. Felen valdes på grund av att de är vanliga fel som uppträder på
ett spårfordon. För att starta felen i utbildningssimulatorn används två tryckknappar en för
varje fel. Felen löses inte med att användaren trycker på knappen utan att användaren använder kretsschemat för att hitta felen. För felsökning var felen uppstår i prototypen rekommenderas en multimeter. Användaren mäter sig framåt för att se var spänning och kontakt tar vägen. När användaren hittar felet kopplas kabeln bort. Ifall det blev rätt har använ-
22 | METODER OCH RESULTAT
daren löst problemet och ifall det blev fel återkopplas kabeln och användaren får fortsätta. I
bilaga 5 finns en ritning över hur de två felen är inkopplade.
När kabelfelet aktiveras genom en tryckknapp är en extra kabel monterad på relä 11 och
relä 5. Genom att koppla tryckknappen med 24 volt får reläet spänning när det inte ska ha
det. Kortslutning uppstår när kablar kopplas ihop vilket genererar jordfel då potentialen
ändras. Jordfelet i kretsen startas på samma sätt som kabelfelet. För att skapa jordfel behövdes ett eget relä för att bryta och sluta kretsen. Genom normalt öppet kopplades reläet
till relä 8 som stänger av motorn. Här får användaren lite hjälp genom att indikeringslampa
S2 lyser.
3.4 Datainsamling
I följande avsnitt beskrivs en felanalys över spårfordon och hur fel prioriteras i ett dörrsystem. Avsnittet presenterar också en sammanställning över diagnostiska koder.
3.4.1
Felanalys över spårfordon
En typisk orsak till att jordfel uppstår är att fukt tar sig in i systemen. Vid nederbörd kan det
resultera i att risken för jordfel ökar i systemen på spårfordon. På spårfordon sitter kontakter utanför tåget vanligtvis i dörrsystem och fotsteget. En vanlig orsak till att fukt tar sig in i
systemet är genom kontakter vilket orsakar jordfel. På spårfordon får föraren en indikation
på att jordfel uppstått genom en jordfelsindikator. När jordfel uppstår kan indikeringslampor gå sönder. Systemen i spårfordon använder sig av flytande nolla vilket innebär att det
finns två nivåer på jordfel. När differensen i potentialen mellan faserna överstiger 10 respektive 25 volt är det jordfel på nivå 1 och nivå 2. Nivå 1 innebär att jordfelet inte klassas
som allvarligt medan vid nivå 2 är det ett allvarligare jordfel som uppstått och åtgärd krävs.
Ett reläfel uppträder när signaler inte går fram. Vanligtvis kan ett reläfel innebära att vissa
funktioner på spårfordon slutar att fungera. Det kan också innebära att signaler inte kommer
fram från reläet till lampa.
Fel som uppstår i anknytning till DCU kan ses som speciella. Oftast är dessa fel såpass
komplicerade att de inte går att reparera utan den trasiga enheten byts ut mot en ny. DCU
övervakar dörrsystem i spårfordon genom att skicka signaler till olika enheter. DCU förväntar sig sedan ett svar och när svaret uteblir indikeras fel.
3.4.1.1
Extern påverkan på spårfordon
Det finns många externa faktorer som kan orsaka fel på spårfordon som inte beror på automatik. Vädret kan ses som en av de största faktorerna till att fel uppstår. Stora variationer i
väderförhållanden orsakar problem. Bromssystem på spårfordon påverkas av is. Kyla kan
göra att komponenter som används i bromssystem fryser. När is smälter kan vatten sig in i
systemen och orsaka jordfel eller kortslutning.
Regn är en vanlig extern faktor som kan påverka olika system på spårfordon och orsaka
jordfel samt kortslutningar. I dörrsystem finns det gummilister som vid höga temperaturer
expanderar och orsakar problem vid stängning av dörrar. I vintertider kan snö åstadkomma
problem i fotstegets klämlist och orsaka fel i dörrsystem.
23 | METODER OCH RESULTAT
3.4.1.2
Strömförsörjning
Det kan uppstå problem med strömförsörjningen till spårfordon. Strömförsörjningen sker
från kontaktledningen vilket indirekt kan orsaka fel på spårfordon. Störningar och fel i kontaktledningen kan delas upp i tre typer av fel. Tågstörande fel innebär att ett fel har uppstått
i kontaktledning eller transformatorstationer utefter banan vilket leder till störningar. Kontaktledningshaveri innebär att fel har uppstått i kontaktledningen och medför att spårfordon
inte kan passera med uppfälld strömavtagare. Tredje typen av fel kallas kontaktledningsfel
och innebär att spårfordon fortfarande kan passera med uppfälld strömavtagare men att felet
måste åtgärdas [30].
Vid normal drift laddar strömförsörjningen upp hjälpkraften genom batterier på tåget. När
ett fel uppstår och strömförsörjningen från kontaktledningen avbryts finns reservbatteriet
med hjälpkraft som levererar 420V. Ett full laddat batteri ska kunna driva systemet i ca 3040 minuter efter ett fel uppstått [31].
3.4.1.3
Statistik
Hur ofta ett fel uppstår beror på dess karaktäristik och vilket spårfordon det är. Vid leverans
av ett nytt tåg uppstår det alltid mer fel än normalt. Enligt statistik från Västtrafik uppstod
det förra året 6002 fel i dörrsystem på spårfordonstypen X61. Västtrafik använder sig av 22
X61 fordon vilket blir cirka 270 enskilda fel per spårfordon och cirka 1,3 fel per dag [30].
3.4.2
Prioriteringsöversikt över dörrsystem på X61
Information baseras på tillverkaren IFE och deras manual för dörrsystem på X61 tåg. På ett
dörrsystem finns många system med en variation av olika funktioner. För att prioritera vilket system som ska åtgärdas först. Vid fel behövs en detaljerad struktur på hur dörrsystem
ska prioritera och åtgärda uppkomna problem. På ett spårfordon finns en diagnostisk mjukvarumodul för dörrsystem som löpande kontrollerar ett antal parametrar inom hårdvara,
sannolikhet och övervakning av utgående ström [32].
•
•
•
Hårdvara – Kontrollerar internt kontrollenheten på dörrsystem.
Sannolikhet – Rörelse i dörr och motsvarande ingående signaler från gränslägesbrytare eller tryckknappar blir kontrollerade mot krav, kända drifttillstånd, tid och feltillstånd.
Övervakning av utgående ström – Motoreffekten övervakas för att detektera trasiga
ledningar och andra utgångar är övervakade för kortslutning.
På ett spårfordon är diagnostiska koder uppdelade på prioriteringstillstånden A och B. De
prioriterade koderna är uppdelade i fyra olika funktioner a, b, c och d som utför åtgärder
enligt den givna funktionen. Tabell 4 visar vilken funktion som används vid ett antal diagnostiska koder. Tabellerna bygger på datablad från tillverkaren.
Tabell 2 Prioriteringstillstånd över dörrsystem X61
Prioritering
A
Prioritering
B
Hög prioritet: Säkerheten för passagerare eller driftsäkerheten över dörr
kan bli påverkad. Tågpersonal får som åtgärd att stänga av dörr.
Låg prioritet: Säkerheten för passagerare eller driftsäkerheten över dörr
påverkas inte. Problemen kan bli kontrollerade och lagade på slutstation.
24 | METODER OCH RESULTAT
Tabell 3 Funktioner och åtgärder
Funktion
a
b
c
d
Åtgärd
Avstängning av funktionen (rörelse i dörr). Återkoppling endast möjlig av att
slå av/på strömbrytaren på DCU. (Dörr stängd och låst) kan endast öppnas av
nödstoppanordning.
DCU försöker fortsätta funktionen (rörelse i dörr) utan åtgärder från tågpersonal: med reparation eller avstängning av tågdörr.
Ingen avstängning av funktionen (rörelse i dörr). Komponenten kommer inte
att användas i dörrfunktioner längre.
Ingen avstängning av funktionen (rörelse i dörr) och inga förändringar på
dörrfunktioner.
Tabell 4 Översiktlig prioriteringstabell över nio vanliga felkoder i dörrsystem på X61
Diagnostiska Prioritering
koder
1
A
Funktion
Beskrivning
b
2
A
a
4
5
6
A
A
A
b
b
b
7
B
d
8
48
206
A
B
A
b
c
b
Kabelfel i elektronikkretsen som styr drivmotor för dörr.
Gränslägesbrytaren i dörren fungerar inte vid
stängning och låsning.
Dörrar låser inte upp inom 3 sekunder.
Rörelsesensorer i dörr slutar fungera.
Hinderdetektering vid stängningssekvens
aktiveras efter ett bestämt antal upprepande
stängningsförsök.
Övervakning av motorström vid öppningssekvens aktiveras efter ett bestämt antal upprepande öppningsförsök.
Internt säkerhetsrelä på DCU slutar fungera.
Tryckknappar för dörröppning slutar fungera.
Reläfunktion slutar fungera.
3.4.3
Diagnostiska koder över prioriteringstabellen
I följande tabeller presenteras utförligt vad som händer och vad för åtgärder som kan användas för att lösa problem vid de nio diagnostiska koderna som beskrevs i Tabell 2. Alla
diagnostiska koder som finns på ett spårfordon detekteras av dörr diagnostisksystemet och
indikeras med röd lampa i DCU. Tabellerna baseras på underhållsinstruktioner från tillverkaren IFE.
25 | METODER OCH RESULTAT
Tabell 5 Kabelfel i elektronikkrets
Diagnostisk kod:
Uppgift:
Förutsättning:
1
Kabelfel i elektronikkretsen som styr drivmotor för dörr.
Drivmotor för dörr aktiveras (öppen/stängd riktning).
Diagnostiskt kriterium:
Diagnostisk borttagning:
Möjlig lösning:
Drivmotor för dörr aktiveras, ingen strömmätning.
Ifall drivmotor för dörr aktiveras igen och en ström mäts.
Motorkrets, kablar, utgångskrets av DCU och motor kontrolleras.
Tabell 6 Gränslägesbrytaren i dörr
Diagnostisk kod:
Uppgift:
2
Gränslägesbrytaren i dörren fungerar inte vid stängning och
låsning.
Förutsättning:
Drivmotor för dörr aktiveras (öppen/stängd riktning) och gränslägesbrytare (dörr stängd och låst) indikerar (dörr stängd och
låst).
Diagnostiskt kriterium:
Drivmotor för dörr är aktiverad och dörrlägessensorn detekterar
(rörelse i dörr).
Diagnostisk borttagning: Gränslägesbrytare (dörr stängd och låst) indikerar inte (dörr
stängd och låst).
Möjlig lösning:
Justering och anslutning av gränslägesbrytare (dörr stängd och
låst) och kontroll av ingångskrets i DCU.
Tabell 7 Dörrar låser inte upp.
Diagnostisk kod:
Uppgift:
Förutsättning:
4
Dörrar låser inte upp inom 3 sekunder.
Drivmotor för dörr aktiveras (öppen/stängd riktning) och gränslägesbrytare (dörr stängd och låst) indikerar (dörr stängd och
låst).
Diagnostiskt kriterium:
Drivmotor för dörr aktiveras för (öppen riktning), men efter 3
sekunder indikerar gränslägesbrytaren fortfarande (dörr stängd
och låst) och dörrlägessensor känner inte av (rörelse i dörr).
Diagnostisk borttagning: Om gränslägesbrytare (dörr stängd och låst) inte indikerar (dörr
stängd och låst).
Möjlig lösning:
Bortkoppling av drivmekanismen för dörr, justering av dörr,
funktionen av säkerhetsreläet och kontroll av ingångskrets för
DCU.
26 | METODER OCH RESULTAT
Tabell 8 Rörelsesensorer i dörr.
Diagnostisk kod:
Uppgift:
Förutsättning:
Diagnostiskt kriterium:
5
Rörelsesensorer i dörr slutar fungera.
Drivmotor för dörr aktiveras (öppen/stängd riktning).
På ett varandra följande (rörelse i dörr), inga pulser räknas från
dörrens positionssensor.
Diagnostisk borttagning: Om igen, minst 1 puls från dörrens positionssensor räknas.
Möjlig lösning:
Kontroll av dörrpositionssensor och ingångskrets i DCU.
Tabell 9 Hinderdetektering vid stängningssekvens.
Diagnostisk kod:
Uppgift:
6
Hinderdetektering vid stängningssekvens aktiveras efter ett bestämt antal upprepande stängningsförsök.
Förutsättning:
Drivmotor för dörr aktiveras (stäng riktning) och gränslägesbrytare (dörr stängd och låst) indikerar inte (dörr stängd och låst).
Diagnostiskt kriterium:
Motorströmmen eller sätt-/tidsövervakning aktiveras på ett
varandra följande stängningssekvenser om dörr inte når (stängd
och låst) läget under tiden.
Diagnostisk borttagning: Gränslägesbrytare (dörr stängd och låst) indikerar (dörr stängd
och låst).
Möjlig lösning:
Drivmekanismen för dörr, förflyttning av dörr, justering av
dörr, justering och anslutning av gränslägesbrytare (dörr stängd
och låst) och kontroll av ingångskrets i DCU.
Tabell 10 Övervakning av motorström
Diagnostisk kod:
Uppgift:
Förutsättning:
Diagnostiskt kriterium:
Diagnostisk borttagning:
Möjlig lösning:
7
Övervakning av motorström vid öppningssekvens aktiveras
efter ett bestämt antal upprepande öppningsförsök.
Drivmotor för dörr aktiveras (öppen riktning) och gränslägesbrytare (dörr stängd och låst) indikerar inte (dörr stängd och
låst).
Motorströmmen eller sätt-/tidsövervakning aktiveras på ett fast
antal successiva öppningsförsök.
Anropet (öppet) ges på en (dörr stängd och låst) och dörr når
fullt öppet läge utan avbrott under öppningssekvens.
Signalingång på dörrlägesgivare vid DCU, drivmekanismen för
dörr, rörelse i dörr, dörrjustering och anslutning av gränslägesbrytare (dörr stängd och låst) och kontroll av ingångskrets i
DCU.
27 | METODER OCH RESULTAT
Tabell 11 Internt säkerhetsrelä
Diagnostisk kod:
Uppgift:
Förutsättning:
Diagnostiskt kriterium:
8
Internt säkerhetsrelä på DCU slutar fungera.
Ingen.
Tillståndet för säkerhetsrelä (kontrolleras av signalen) överensstämmer inte med de aktiverande signalerna från säkerhetsrelä.
Diagnostisk borttagning:
Möjlig lösning:
Det logiska tillståndet av säkerhetsreläet motsvarar aktiverandesignaler.
Aktiveringen av säkerhetsrelä enligt blockschemat för DCU och
enligt kontroll av kopplingsschemat annars behöver DCU bytas.
Tabell 12 Tryckknappar för dörröppning.
Diagnostisk kod:
Uppgift:
Förutsättning:
Diagnostiskt kriterium:
Diagnostisk borttagning:
Möjlig lösning:
48
Tryckknapp för dörröppning slutar fungera.
Dörröppning med tryckknapp frigörs för att öppna dörr.
Insignalen vid DCU är aktiverad längre än en bestämd tidsperiod.
DCU detekterar inte längre en aktivering av tryckknappar för
dörröppning.
Dörröppning med tryckknapp, kontroll av ingångskrets av
DCU och kablage.
Tabell 13 Reläfunktion
Diagnostisk kod:
Uppgift:
Förutsättning:
Diagnostiskt kriterium:
Diagnostisk borttagning:
Möjlig lösning:
206
Reläfunktion slutar fungera.
Ingen.
Tillståndet för reläet motsvarar inte de aktiverande signalerna
för reläet.
Svarssignalen är lika med de logiska tillstånden för signalingångarna till DCU.
Funktion av reläet, kontroll av kablage.
28 | METODER OCH RESULTAT
29 | ANALYS OCH DISKUSSION
4 Analys och diskussion
4.1
4.1.1
Utveckling av prototypen för dörrsystem
Illustrering av standardfunktioner
Den största delen i detta examensarbete har varit att ta fram och utveckla en utbildningssimulator över spårfordon och dess delkomponenter. Simulatorn är en hårdvarubaserad prototyp av ett dörrsystem på ett spårfordon. Utvecklingen delades in i ett antal steg för att uppnå
resultat. Första steget var att analysera hur ett dörrsystem fungerar och vilka funktioner som
var viktiga att använda. Det finns en stor mängd olika modeller av spårfordon i Sverige
men studien utgick över dörrsystem från spårfordonsmodellen X61. Detta på grund av tillgängligt arbetsmaterial och externa erfarenheter.
Prototypen konstruerades för ett generellt dörrsystem eftersom det ansågs ge bättre utvecklingsmöjligheter än att använda ett specifikt system. Komponenter som valdes att användas i
prototypen baserades på verkliga komponenter i ett spårfordon. Ett problem var att komponenter som används i riktiga spårfordon krävde en spänning som ansågs för hög och osäker
att arbeta med. Detta medförde att det användes komponenter med samma funktion och
syfte men som krävde lägre spänning. Ett dörrsystem på spårfordon kan ha många olika
funktioner. För att kunna genomföra projektet inom tidsramarna bestämdes att endast de
viktigaste standardfunktionerna skulle illustreras. Målet med att kunna illustrera de övergripande standardfunktionerna för ett dörrsystem på spårfordon uppnåddes.
För att konstruera prototypen krävdes ytterligare kunskap om hur kopplingen mellan komponenter skulle ske. Kopplingen mellan de olika reläerna som användes var en särskilt krävande del då de snabbt blev komplext vid felsökning. Eftersom prototypen ska användas i
utbildningssyfte var det viktigt att tänka på design och användarvänlighet. En utmaning var
att kunna illustrera hur funktioner fungerar i prototypen och samtidigt få med nödvändiga
komponenterna i ett dörrsystem.
4.1.2
Demonstration och simulering av fel
I prototypen ingick två inbyggda fel som skulle implementeras och demonstreras. På spårfordon uppstår det mängder av fel med olika stor påverkan för dörrsystem. Därför gällde
det att bestämma vad för fel som skulle bli mest relevanta för prototypen. Felen som valdes
att implementeras i prototypen baserades hur vanliga var och på hur stor effekt det skulle få
på systemet. Problemet med att implementera dessa fel var att de inte gick att testa felen
förrän hela prototypen var helt färdigställd. Det innebar att när alla ingående standardfunktionerna gick att illustrera kompletterades konstruktionen med de två vanliga felen.
I prototypen implementerades två fel som kan uppstå i alla typer av system på ett spårfordon men som är vanliga i dörrsystem: kabelfel och kortslutning (jordfel). Kortslutning uppstår när kablar kopplas ihop vilket genererar jordfel då potentialen ändras. Jordfelet i kretsen startas på samma sätt som kabelfelet. För att skapa jordfel behövdes ett eget relä för att
bryta och sluta kretsen. Målet med att demonstrera de två felen i prototypen uppnåddes.
30 | ANALYS OCH DISKUSSION
Tanken var också att dessa fel som implementerades i prototypen skulle simuleras. I detta
projekt utfördes inte simuleringen i Simulink och OrCAD. Den största anledningen till att
felsimuleringen inte genomfördes var att hårdvarukonstruktionen prioriterades men även
tidsbristen var ett problem. Den tänkta programvaran saknade även vissa funktioner för att
kunna testköra alla komponenter vilket ansågs skulle ge för stora problem.
4.1.3
Kretsschema
Eftersom produkten skulle användas i utbildningssyfte behövdes någon form av pedagogiskt material till prototypen. Ett mål var att ta fram ett kretsschema över prototypen som
skulle fungera som en instruktionsmanual. För att rita kretsschema används speciella CAD
program. De flesta CAD programmen som används ute bland företag är komplexa och är
licensbelagda. Programmen hade begränsade gratisvarianter men även de var för komplexa
för att lära sig på kort tid. ORCAD blev det program som valdes då det redan används i
tidigare kurser. Programmet hade även det vissa begränsningar som uppstod längre fram.
Det fanns en övre gräns på antal komponenter som kunde användas. Problemet löstes genom att dela upp projektet i ett antal nya projekt och målet med kretsschema som instruktionsmanual uppnåddes.
4.2
4.2.1
Utvärdering
Felanalys
För att sätta in problemställningen i ett större perspektiv utfördes en felanalys spårfordon.
Analysen utfördes utifrån dokumentation, intervju och statistik på spårfordon X61. Det som
kan konstateras är att fel som orsakar att ett spårfordon måste tas ur drift är ett stort problem. Framförallt innebär stillastående fordon mycket stora kostnader men det orsakar
också indirekt förseningar. Nytillverkade spårfordon som sätts i drift har i större utsträckning fel vilket kan bero på att de inte är helt testade i verkligheten. Ett av de vanligaste
felen är jordfel. Detta på grund av att det kan uppstå relativt lätt i jämförelse till andra fel
och att det är lättpåverkat av externa faktorer. Precis som i de flesta situationer påverkar
yttre faktorer såsom väder ett system och komponenter.
4.2.2
Pedagogisk synvinkel
Från början var planen att det skulle göras tester och en utvärdering av utbildningssimulatorn när prototypen var färdigställd. Det tog längre tid än beräknat att konstruera prototypen
för dörrsystemet. Resultatet blev att ett mindre antal fel byggdes in i prototypen än planerat.
Därför valdes det att endast göra en begränsad studie med ett fåtal deltagare i slutfasen. I
teststudien aktiverades de två inbyggda felen utan deltagarnas vetenskap. Ett exempel på en
slumpmässig kontroll var när företagets handledare letade orsak till ett jordfel i slutskedet.
Efter ett tag upptäckte handledaren att tryckknappen för felet med jordfel var aktiverad.
Utbildningssimulatorn har testats i hållbarhetssynpunkt då produkten har genomfört ett stort
antal aktiveringar för att säkerhetsställa prototypen fungerar tillfredställande.
Prototypen har inte testats av den tilltänkta målgruppen ur pedagogisk- och användarsynpunkt. Därför kan man konstatera att utvärderingen inte blev statistisk säkerlagt med en
tillräcklig stor urvalsgrupp. För att använda prototypen mer kommersiellt bör en större testgrupp använda produkten för att hitta nya lösningsmetoder och bättre användarvänlighet.
31 | ANALYS OCH DISKUSSION
4.3 Granskning över valet av lösningar
I ett tidigt skede i planeringen var tanken att utbildningssimulatorn skulle bestå av flera
system på ett spårfordon till exempel traktion och HVAC. Prototypen skulle konstrueras
genom digitalteknik, elektriska komponenter och hårdvara. Systemen skulle kommunicera
med varandra och olika typer av problem skulle kombineras ihop för att lösas av användaren. För att styrning av de kombinerade systemen var grundidén att ha någon form av PLC.
Efter litteraturstudien uppskattades att tiden på tio veckor inte skulle räcka för att realisera
flera system för en utbildningssimulator. Första tanken var att begränsa utbildningssimulatorn med systemet för traktion. Under förstudien visade det sig att traktion rent hårdvarumässigt var svårt att konstruera. Komponenterna som behövs för att illustrera systemet
traktion skulle överstiga budgeten både i tid och pengar. På traktion var många funktioner
mer mjukvarubaserade än hårdvara. Genom en diskussion med företagets handledare Markus Dejeby begränsades utbildningssimulatorn till att endast konstruera en prototyp av ett
dörrsystem. På grund av begränsade kunskaper inom PLC valdes även att använda en enklare styrenhet för dörrsystemet. I ett senare tillfälle kommer företaget att byta styrenheten
mot någon variant av PLC.
Ett dörrsystem har många funktioner och alla togs inte med på grund av tidsbrist och platsbrist i konstruktionen av prototypen. Vid öppning av dörr kombineras trappsteg och dörröppning men i verkligheten är de enskilda funktioner som har sina egna krav. På samma
sätt används inte sensorer när trappsteget är helt utfällt. På dörrsystem används temperaturgivare för att hålla trappsteg isfri och för att hålla ett tempererat klimat i vagnen. Temperaturgivare valdes att inte ha med på grund av i illustrativt syfte är det svårt att visa temperaturskillnader i utbildningssimulatorn. Öppningen styrs från en tryckknapp som kan vara
från passagerare, förare eller tågpersonal för enkel demonstration.
En tidigt planerad lösningsmetod var att simulera funktionerna i prototypen med simuleringsprogrammen ORCAD och MATLAB. I ett senare skede visade det sig att de komponenter som används till prototypen saknades i simuleringsverktyg. I ORCAD fanns tre
bibliotek som kunde användas för simulering men de var för digitalteknik och inte komponenter som reläer och givare.
Twindej hade helst sett att styrenheten var någon form av PLC. Då det saknades kunskaper
inom PLC valdes en enklare styrenhet. Till utbildningssimulatorn var grundtanken att använda en Raspberry Pi som sedan valdes bort på grund av användarvänlighet för Arduino.
4.4 Hur påverkar en utbildningssimulator samhället
I utbildningssyfte kan prototypen användas i järnvägsbranschen för att skapa djupare förståelse hur dörrsystem fungerar och dess problematik. Komponenter och funktioner som
används i prototypen utgår från dörrsystem på spårfordon. Principen är samma för många
andra tekniska system i samhället som använder liknande komponenter. Mycket av tekniken som används är i grund och botten samma. Det innebär att konceptet kan användas i
utbildningssyfte för andra branscher. En bättre och ökad förståelse för hur komponenter är
uppbyggda och fungerar kan bidra till effektivare underhållsarbete på spårfordon. Effektivitet är ett vinnande koncept ur ett ekonomiskt perspektiv. Genom Effektivare underhållsarbete minskas underhållskostnaderna. Det leder till en bättre ekonomisk och miljömässig
hållbarhet.
32 | ANALYS OCH DISKUSSION
Ett vanligt scenario för en tekniker som utför sitt arbete i form av en felsökning på ett spårfordon är att personen upptäcker ett fel på någon komponent. Oftast kan det innebära att
personen ifråga ersätter en trasig med en ny komponent. I vissa fall kan en trasig komponent repareras istället för att bytas ut. Ur en miljösynpunkt där fokus finns på minska resursutnyttjandet skulle detta anses som dålig lösning. Genom att lära sig effektiv felsökning
kan teknikern lättare förstå tankesättet och hitta trasiga komponenter och åtgärda dem. Det
ger snabbare idrifttagning av tåg som både ger positiva effekter inom ekonomi och miljö.
33 | SLUTSATSER
Slutsatser
I denna rapport beskrivs en utvecklad utbildningssimulator över spårfordon och dess delkomponenter på järnvägen. Simulatorn är en hårdvarubaserad prototyp över ett dörrsystem
på spårfordon. Prototypen illustrerar standardfunktioner och vanliga fel i ett dörrsystem.
Genom en felanalys över dörrsystem och spårfordon fås en bild av hur fel uppträder på tåg.
Konstruktionen baserades på ett dörrsystem för spårfordonsmodellen X61. Syftet med prototypen är att den ska fungera som en utbildningssimulator för tekniker eller systemspecialister inom tågbranschen. Simulatorn ska ge en djupare förståelse för hur komponenter fungerar i ett system. Genom en instruktionsmanual bestående av ett kretsschema över prototypen felsöker användaren för att lösa vanliga fel.
En rekommendation för Twindej är att byta ut styrenheten Arduino mot en annan styrenhet.
Ett alternativ till styrenheten skulle vara en PLC som är bättre anpassad för syftet. Med en
PLC styrenhet finns möjlighet att använda fler signaler och mjukvarumässigt kunde styra
fel. En PLC kan programmeras i block- och funktionsbaserade språk vilket underlättar förståelsen för strukturen. Det medför också att det blir lättare för vidareutveckling både med
dörrsystem och andra system på ett spårfordon. För bättre liknelse över system i verkligheten är ett byte av komponenter från 24 till 110 volt att rekommendera.
Spårfordon innehåller många system vilket ger stora möjligheter att utveckla konceptet. I
ett fortsatt arbete är systemen traktion, HVAC och bromsar en utgångspunkt för vidareutveckling. Med ett antal fristående system som sammankopplas kan förståelse och felsökning utökas betydligt. Med en PLC styrenhet utökas möjligheter för att kunna illustrera
tågets centraldator. Utöver kretsschema kan en utveckling av instruktionsmanualen där användaren får beskrivningar och tillvägagångsätt i felsökning hjälpa användaren.
34 | SLUTSATSER
35 | KÄLLFÖRTECKNING
Källförteckning
[1] Twindej, ”Kurskatalog”,
http://www.twindej.se/index.php/sv/vara-tjaenster/vara-utbildningar/kurskatalog Publicerad
2015. Hämtad 2015-05-12.
[2] C.Macedonia R.Gherman A.Satin, ”Simulation laboratories for training in obstetrics
and gynecology”,
http://www.sciencedirect.com.focus.lib.kth.se/science/article/pii/S0029784403004836 Publicerad 2003. Hämtad 2015-06-06.
[3] V. Alveflo, ”Mjukvarubaserat utbildningsverktyg”,
http://hh.diva-portal.org/smash/get/diva2:693189/FULLTEXT01.pdf Publicerad 2014-0501. Hämtad 2015-03-30.
[4] C.Krause, ”Simulation of dynamic station dwell time delays on high frequency rail
transport systems”,
http://kth.diva-portal.org/smash/get/diva2:739977/FULLTEXT01.pdf Publicerad 2014.
Hämtad 2015-04-03.
[5] OpenTrack Railways Technology, ”Railway simulation”,
http://www.opentrack.ch/opentrack/opentrack_e/opentrack_e.html#Simulation Publicerad
2015. Hämtad 2015-04-03.
[6] Railsys Classic/Enterprise-planning platform ”introduction”,
http://www.rmcon.de/index.php?page=railsys-classic-planning Publicerad 2015. Hämtad
2015-04-04.
[7] Berghof, ”RTS- Rail Test System”,
http://www.berghof.com/fileadmin/Dateien-Einpflege/Seitenbaum/HomeDownloads/Produkte/Leittechnik/Prospekte/PM_RTS_PI_en_2014-10-14.pdf Publicerad
2015. Hämtad 2015-04-17.
[8] Irmie Impianti, ”Test benches and power supply systems for railway application”,
http://www.irmieimpianti.com/sites/default/files/pdf/Test-Benches-and-Power-SupplySystems-for-Railway-Application.pdf Publicerad 2015. Hämtad 2015-04-25.
[9] P.Terwiesch T.Keller E.Scheiben, ” Rail Vehicle Control System Integration Testing
Using Digital Hardware-in-the-Loop Simulation”,
http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=761055&tag=1 Publicerad 1999-05.
Hämtad 2015-04-17.
[10] Knorr-Bremse ”Entrance system”,
http://www.knorrbremse.com/media/documents/railvehicles/en/en_neu_2010/Entrance_Sys
tems.pdf Publicerad 2015. Hämtad 2015-04-24.
36 | KÄLLFÖRTECKNING
[11] IFE Innovation For Entrance system ”Sliding plug doors”,
http://www.ife-doors.com/media/documents/prospekte/en/sliding_pl_HT.pdf Publicerad
2015. Hämtad 2015-04-24.
[12] IFE Automatic Door Systems, “Door function Description”,
Documentation-No: DDC20103R03 Publicerad 2009-03-17. Hämtad 2015-04-29.
[13] H.Philipp ”Patent”,
https://www.google.com/patents/US4736097 Publicerad 1998-04-05. Hämtad 2015-04-29.
[14] H.Blomqvist, ” Elkrafthandboken sida 328-351”,
Elkraftsystem 1 ISBN 91-47-00064-3 Upplaga 2, Publicerad 2003-02.
[15] H.Blomqvist, ” Elkrafthandboken sida 376-377”,
Elkraftsystem 2 ISBN 91-47-10561-8 Upplaga 2, Publicerad 2003-02.
[16] Stigab ”Strömställare”,
http://stigab.se/kategorier/stromstallare/ Publicerad 2015. Hämtad 2015-05-03.
[17] B.Watsfeldt ”Detektering av jordfel i högspänningsnät”,
http://liu.diva-portal.org/smash/get/diva2:650246/FULLTEXT01.pdf Publicerad 2006-0609. Hämtad 2015-04-13.
[18] Elsäkerhetsverket ”Starkströmsföreskrifterna”,
http://www.elsakerhetsverket.se/globalassets/foreskrifter/aldre-foreskrifter/1999-5.pdf Publicerad 2015. Hämtad 2015-04-13.
[19] J.Hägg ”Provning av reläskydd med intermittentfunktion”,
http://ohm.iea.lth.se/publications/MS-Theses/Full%20document/5284_full_document.pdf
Publicerad 2011-06. Hämtad 2015-04-13
[20] I.Kenjar M.Olsson, ” Spänningsdippar - spänningsdippskaraktäristik i en knutpunkt till
följd av fel i omgivande nät”,
http://publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/165142.pdf Publicerad 2003-11-13.
Hämtad 2015-04-13
[21] A.Terzic, ”Simulering av elkraftsystem”,
http://liu.diva-portal.org/smash/get/diva2:650003/FULLTEXT01.pdf Publicerad 2006-1218. Hämtad 2015-05-12.
[22] H.Blomqvist, ” Elkrafthandboken sida 354-390”,
Elkraftsystem 1 ISBN 91-47-00064-3 Upplaga 2, publicerad 2003-02
[23] Elbranschens Utvecklings- och Utbildningscenter, ”Studiematerial sida 71 - 74”,
Metodisk felsökning Publicerad 2002. Hämtad 2015-05-03.
[24] Simulink ”Simulation and Model-Based Design”,
http://se.mathworks.com/help/simulink/ Publicerad 2015. Hämtad 2015-04-20.
37 | KÄLLFÖRTECKNING
[25] Orcad, ”What is OrCAD EE (PSpice) Designer?”,
http://www.orcad.com/products/orcad-ee-pspice-designer/overview Publicerad 2015. Hämtad 2015-04-16.
[26] A.Berggren, M.Eriksson ”Distribuerade Kontrollsystem för Smarta Elnät Baserat på
Raspberry Pi”,
http://kth.diva-portal.org/smash/get/diva2:641093/FULLTEXT01.pdf Publicerad 2013-0815. Hämtad 2015-04-16.
[27] Arduino Uno ”Overview”,
http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno Publicerad 2015. Hämtad 2015-03-27.
[28] Arduino Mega ”Overview”,
http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560 Publicerad 2015. Hämtad 2015-03-27.
[29] Raspberry ” Raspberry Pi 2 model B”,
https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-2-model-b/ Publicerad 2015. Hämtad
2015-03-27.
[30] Trafikverket, ”Kontaktledningar och störningar”,
http://www.trafikverket.se/Foretag/Bygga-och-underhalla/Jarnvag/Anlaggningstekniskaomraden/Elkraftsystemet/Kontaktledning-och-storningar/ Publicerad 2014-10-21. Hämtad
2015-05-22.
[31] Intervju med Markus Dejeby, Verksamhetschef, Twindej 2015-05-21
[32] IFE Automatic Door Systems, “Door Diagnostic Description”
Documentation-No: DDC20103R13 Publicerad 2009-03-17. Hämtad 2015-04-29.
38 | KÄLLFÖRTECKNING
A
B
C
D
5
5
C
CCCCCC
CCCCCCCCrrrrrrrr
C
CCCCCCCCCCC
C
C11
C
4
CC
4
12
5
8
CCC5C
A2
9
1C
CC
C1
3
1C
11
CCC55
A2
CCC55
C1C
A1
11
27
22
CC
C15
A2
A1
33
1C
CCC5C 9
CCC5C 1C
C19
1C
9
11
11
C
11
C16
vW
10
CC
C
30
1C
8
37
grgrg
233
11CCC1
7
C
C
A1
C17
C18
vW
6
5
34
CC
233
9
5
aarra
4
C
C
3
1C
11
2
11
CC15C
C1C
vW
232
14
CC55
C11
1
grrgggg
3
Dteet
veve
A
eeeee
5
8
CC
A2
A1
8
11
1C
11
1C
CC
2
evemmtm5v5vvev025v2015
Dvvvvevevvvvvev
1
emevmemvDmvvmmmeev
CC15C
C1C
25
CCC55
vW
C11C
11
40
1rarCC
2
A2
A1
C
1
1C
2v3
vteee
CC15C 11
C11
12
2v2
23
C rrC aarrC
grgrgCarCrrrrr
CC
1
1
vf
19
CCC5C
CC55
24
32
1
C
CC55
1
3
vev
111
A
B
C
D
39 | BILAGOR
Bilagor
Bilaga 1 Kretsschema blad 1/3
A
B
C
D
82
1111
11111
886
1v1
36
155
5
11113
A2
1V
26
20
A1
11
3
111
15
5
22
131V
1
11
2nrr1 rrrrg
rrrrr1rr1rrrrr
VVVV
5
25
21
887
4
A2
A1
11
37
82
38
11113
111
VV
889
rtr rr1
ggrgtrgtrtgrtrgrr
4
35
1V
11
1V1V
22221V
11113
888
3
11
A2
A1
19
1111
VV
2nrr1nnntr
rrrrr1rr1rrrrr
3
Dteet
veve
A
eeeee
11
1V
8810
1111V
A2
A1
82
44
rrtrtrttr
2
evemmtm5v5vvev025v2015
Dvvvvevevvvvvev
1
emevmemvDmvvmmmeev
A2
A1
11113
889
35
1V1V
rtr rr1
ggrgtrgtrtgrtrgrr
2
11
1V
vW
1315
45
2
1315
11rrtrtrttr
vteee
8rrr11
1
1
vf
3
vev
111
A
B
C
D
40 | BILAGOR
Bilaga 2 Kretsschema blad 2/3
A
B
C
D
4241
4241
V24V
dggd
5
554
554
17
5
0
18
6
10
14
4144
-
3
V
551
511
555
12
11
16
15
4
8
5
555
13
4
26
ggggg3gggggggg
ggggggggggggggggggg
1
2
5
333333
3
3
Dteet
veve
A
eeeee
2
5vemtm5v5tmv225v2515
Dvvvvevevvvvvev
1
emevmemvDmvvmmmeev
2
vteee
3
1
1
vf
3
vev
111
A
B
C
D
41 | BILAGOR
Bilaga 3 Kretsschema blad 3/3
C DDC
C DDC
-
+
4
33
DDD
OOOOOOOOOOO
DDD
3
5OODO
9
1
2
3
4
5
B
B
8
Dteet
veve
A
eeeee
CO5
1C
2C
3C
4C
5C
BC
BC
AAv2553A
1B
2B
3B
4B
5B
BB
BB
etevtetOttvvttteevOtetvevtee
1B
15
14
13
12
11
15
vteee
5
3
5
1
1
1
vf
1
vev
111
C
D
2
5vettt5O5ttO225O2515
DvvvveveOvvvvev
1
A
5
DC rrDrrrrrr
2
A
DC
+
3
B
CC
3C DCC
4
B
C
D
5
42 | BILAGOR
Bilaga 4 Kretsschema styrenhet
A
B
C
D
d)))
119
1111
vv5v
A2
A1
54
9
9
5
5
vW
9
A2
A1
49
1ll)v
5559
1111
50
n)d)
46
9
1lllllll
1))))l)))vv5V
4
118
dd) vW
1ll)1
A2
A1
48
47
1))))l))))))))))))lll)
r)r))l))lv)r))))
lll))5)l)l)llll)l)lll
4
19
5v53
3
3
Dteet
veve
A
eeeee
2
evelltl5v5vvev025v2015
Dvvvvevevvvvvev
1
elevlelvllvvllleevvlee
2
vteee
1
1
1
vf
1
vev
111
A
B
C
D
43 | BILAGOR
Bilaga 5 Kretsschema över inbyggda fel
44 | BILAGOR
Bilaga 6 Styrenhetens kod
//PROGRAMKOD FÖR KRAVFUNKTIONEN
//Deklarerar digitala utgången
int Krav = 12;
void setup()
{
pinMode(Krav, OUTPUT);
}
void loop()
{
digitalWrite(Krav, HIGH);
}
// Skickar signal till tryckknapp