TRAIN: TRAIN RUNNING ADVANCED INFORMATION ON NETWORK Rhanjati Mohamed mrhanjati@yahoo.com RÉSUMÉ Le projet «TRAIN» consiste en la gestion d un site ferroviaire donné. Cette gestion étant axée sur la détection, de l emplacement relatif, d un train sur ce site ainsi que sur la commande des aiguillages. Cette dernière permettant d instaurer une certaine fluidité dans le trafic. La finalité du projet est de fournir un outil, utile, permettant d empêcher l entrée en collision d engins ferroviaires : ce qui, malheureusement peut se produire lorsque deux trains parcourent la même voie. Un véritable logiciel de gestion du réseau doit être créé. Mais avant cette étape, il nous a fallut réaliser la base de notre simulation : le circuit pour déterminer la position du train ainsi que le circuit de commande des aiguillages. On a utilisé le logiciel «labview» de National Instruments pour l acquisition et l écriture de données liées à ces différents circuits. La gestion des cas de collisions sera développée dans cet environnement. Nous réaliserons ainsi un module qui complétera le projet réalisé une année antérieure (2009-2010) par Sébastien Wynen : «Elaboration d un système de gestion des trains Marklin» (Annexe A). Ce projet avait abouti sur une interface graphique en Labview permettant la commande de fonctions de base d une locomotive Marklin. Le scope du projet sur ces deux ans peut se résumer en les 5 points suivants : Détecter la position des trains sur le circuit. Mettre en place un système permettant de commander les différents aiguillages du circuit. Trouver un dispositif compatible Marklin qui envoie les signaux utiles sur le circuit et qui soit connectable à l ordinateur via un port USB. Étudier le protocole de communication entre l ordinateur et le dispositif. Réaliser un programme de gestion de trains. Les points sur lesquelles ont se concentrera cette année sont les 3 premiers. Le troisième point est documenté à l annexe B 1. INTRODUCTION Le projet «train» doit nous permettre de gérer ou plus précisément de prévenir les crashs de locomotives. L idée est soit de ralentir (voire d arrêter) une locomotive (Marklin, dans le cadre de ce projet), soit de l aiguiller vers une autre voie, lorsqu il est établi une possibilité de collision d engins. Cette possibilité étant définie à partir de la détermination de la position du train. Nous verrons donc comment déterminer la position d un train ; comment commander les aiguillages et enfin comment traiter toutes les informations recueillies. 2. LA POSITION D UN TRAIN 2.1. Choix de la technologie Nous avons choisi après mure réflexion les interrupteurs reed pour déterminer la position d un train. Nous avions le choix entre plusieurs technologies telles que des capteurs infrarouges, des capteurs résistifs ou encore capacitifs. Cependant pour des raisons de coûts, mais essentiellement pratiques, les interrupteurs «reed» étaient plus intéressants. Ces capteurs pouvant être placés assez aisément et discrètement entre les rails, sans pour autant provoquer d embarras. Nous pouvons le voir sur la figure 1 suivante : Figure 1. Implantation de l interrupteur 2.2. Principe de fonctionnement Le principe de fonctionnement est assez simple. Il est basé sur le magnétisme. Lorsqu un aimant est placé dans son voisinage les contacts de l interrupteur se ferment.
Nous avons donc placé un aimant au niveau de l essieu de la locomotive. Nous pouvons en effet l observer sur la figure 2 suivante : et courts tronçons, on utilisera respectivement 3, 2 ou 1 capteurs. Ce qui nous a donné un total de 22 interrupteurs. Les cartes «PCI/PXI-6221» utilisées possèdent chacune 16 entrées analogiques 2 sorties analogiques et 24 I/O numériques. Par mesure de sécurité, on utilisera 2 cartes (la lecture d une donnée numérique prend moins de temps que la lecture d une entrée analogique) : une pour relever la position en temps réel des trains et une seconde pour la commande des aiguillages. 2.3.1. Réalisation du PCB «positions» Figure 2. L aimant sur la locomotive Quelques problèmes ont été rencontrés à ce niveau. Le placement de l aimant était laborieux. Tantôt l emplacement de l aimant freinait la locomotive sur le circuit au niveau des aiguillages, tantôt il bloquait son axe de direction. Nous avons finalement réussi cette opération en utilisant un aimant plus fin, cependant le champ magnétique de ce second aimant n est pas suffisant pour que le contact se ferme lors de son passage au dessus de l interrupteur. Quant à la récupération de données le principe est aussi simple. Nous avons mis une résistance en série (10kΩ) avec l interrupteur. Nous avons décidé d alimenter l ensemble avec une tension de +5V (nous prendrons cette tension à partir de la carte d acquisition de données). Le schéma de principe correspond à la figure 3 suivante : Après les conclusions de l étude nous avons pu concevoir le PCB. Voir figure 4. Nous avons considéré les 22 I numériques. Figure 4. PCB-position La ligne de référence (masse) correspond à la ligne passant par le composant U25, U26 et U27 (ligne du haut). Les entrées numériques seront placées sur les différents pins des composants U23 et U24. L alimentation de 5V sera branchée sur le pin (relié aux résistances) du composant U27 (ligne du bas). 2.3.2. Système d adressage Table 1. Système d adressage pour l acquisition de la position des trains Figure 3. Principe des relais de position Une patte de l interrupteur est connectée à la masse de la carte d acquisition tandis que l autre est reliée à une résistance et une entrée numérique de la carte d acquisition. Comme on le remarque sur la figure 3, lorsque l interrupteur sera ouvert, on récupérera une tension de 5V. La numérotation en noir correspond à un choix sur le circuit (voir figure 5). La numérotation en bleu correspond aux différentes entrées utilisées sur la carte National Instruments. Sur les 24 entrées/sorties numériques, 22 sont utilisées (en entrée). Seul P0.2 et P0.6 restent inutilisées. 2.3. Câblage et tests On a tout d abord segmenté le circuit en parties minimums cohérentes, délimitées par les aiguillages, pour la réalisation pratique, ainsi que la simulation de la détection de la position du train. Pour les longs, moyens
Figure 5. Circuit d études 2.3.3. Tests des capteurs de position Figure 7. Panneaux de test des positions Figure 6. Câblages PCB-positions Pour vérifier si nos interrupteurs reed sont correctement câblés, on utilise le logiciel Measurement and Automation de National Instruments. Sur les différents panneaux de test (figure 7), on voit bien que seuls P0.2 et P0.6 ne sont pas connectés. On a donc nos 22 positions opérationnelles. 2.3.4. Problèmes rencontrés Lorsque la vitesse du train devient assez importante (50% de la vitesse max), le temps de passage au-dessus des interrupteurs reed n est plus suffisant pour que le contact puisse se fermer et ainsi permettre la détection du train. La place disponible pour coller un aimant supplémentaire sous le train est extrêmement limité (figure 2). Ce qui nous laisse plus qu une seule solution : un aimant de même dimension avec une intensité du champ magnétique plus élevée. L inconvénient est qu avec un aimant plus puissant. Le champ magnétique pourrait endommager le circuit interne de la locomotive. De plus, les rails étant métalliques, l aimant aura tendance à réduire la vitesse du train. En effet, l attraction de l aimant vers les rails occasionne une force qui va s opposer à la circulation (vitesse) du train. Il faudra donc trouver un compris entre toutes ces restrictions.
3. LA COMMANDE DES AIGUILLAGES Cette partie traitera de la gestion et plus précisément de la commande d un dispositif d aiguillages. Un total de 10 aiguillages ont été placés sur le circuit. Chacun possède trois fils : 1 pour la masse et 2 pour la commande (gauche ou droite). Nous utiliserons donc 20 relais Reed (2 pour chaque aiguillage) pour commander les 10 dispositifs d aiguillage dont un modèle est représenté à la figure 8. Figure 10. Relais gauche et droite d un aiguillage. La commande G émise à partir du logiciel «Measurments & Automation» de National Instruments passera l aiguillage à gauche si sa position initiale se trouve à droite et ne fera rien si elle se trouve à gauche et réciproquement pour la commande D. Pour l alimentation de notre montage, nous utilisons celle du transformateur de la marque Märklin. Ce modèle utilise une tension alternative variable (16 V max). 3.2. Câblages et tests Figure 8. Un aiguillage Pour commander nos aiguillages, nous avons choisi de travailler avec le relais reed modèle SIL05-1A72-71L dont la figure 9 représente les connections entre ses différents pins. 3.2.1. Réalisation du PCB «aiguillages» Après les conclusions de l étude nous avons pu concevoir le PCB-Aiguillages. Voir figure 11. Figure 11. PCB-Aiguillages Figure 9. Pins du DIP05-1A72-12L 3.1. Principe de fonctionnement A l aide d une carte d acquisition National Instruments PCI/PXI 6221, nous allons générer un signal (tension de 5V) aux bornes de la bobine (bornes 3-5 du relais). Par attraction électromagnétique, le contact se ferme et une tension est ainsi mesurable aux bornes de la commande (bornes 1-7 du relais). 3.2.2. Système d adressage Pour chaque aiguillage, on utilise 2 sorties numériques. Pour exemple, à l aiguillage A1 de la figure 10, nous avons utilisés le pin 1 et 2 de la carte NI correspondant à la sortie P2.6 et P2.4. Table 2. Système d adressage pour les aiguillages Chaque sortie numérique correspond à un numéro de ligne utilisé pour que le signal soit généré sur le relais choisi. La carte PCI/PXI 6221 possède 24 E/S numériques allant de P0.0 à P0.7 pour le port0, de P1.0 à P1.7 pour le port1 et de P2.0 à 2.7 pour le port2.
3.2.3. Tests des dispositifs d aiguillages Figure 13. Programme de lecture pour un interrupteur Ce programme devra être réalisé pour chaque interrupteur reed du circuit. Ce qui nous donnera un total de 22 leds sur l interface graphique de la figure 5. 4.2. Commande des aiguillages Figure 12. Câblages PCB-Aiguillages En partant du haut vers le bas (sur la figure 12), on numérote les lignes de 1 à 10. Chaque ligne permet la commande d un dispositif d aiguillage (voir figure 10). Les relais de la colonne de droite (colonne D sur la figure 12) commande la direction de droite de chacun des dispositif et la colonne de gauche celle de gauche. Pour la commande des aiguillages, il s agit cette foisci d utiliser un module d écriture. La commande de nos aiguillages se ferra à travers un interrupteur sur la face avant du programme (voir figure 5). Chaque dispositif d aiguillage possède deux directions possibles. Il faudra donc réaliser 2 modules de commande par dispositif. 3.2.4. Problème rencontré Après de multiples tests, on a constaté que 2 dispositifs d aiguillage (le 6 et le 7) sont en panne. En effet les relais (rectangle de la figure 12) utilisés pour ces dispositifs ont une tension nulle après réception de la tension de commande de 5V venant de la carte d acquisition. En prenant également la différence de potentiel aux bornes du dispositif (figure 8), on mesure bien une tension mais sans pour autant que le dispositif en prenne compte. Solution : remplacer par deux nouveaux dispositifs d aiguillage. 4. PROGRAMMATION SOUS LABVIEW 4.1. Positions des trains en temps réel Après avoir crée des voies virtuelles d entrée et de sorties sous Measurment and Automation Explorer de National Instruments. On réalise un programme capable de transmettre l état de notre interrupteur en continue. Pour ce faire, l état de notre interrupteur est représenté par une led qui est connecté via un module de lecture à la voie virtuelle correspondant à l interrupteur de la position 1 (Figure 13) Figure 14. Programme de commande pour une direction (droite) d un dispositif d aiguillage Nous disposons de 10 dispositifs, ce qui nous fait 20 modules à réaliser. 5. CONCLUSION Tout au long de notre bureau d études, on a rencontrés différents types de problèmes. Premièrement, il semble que le choix technologique utilisant l intensité du champ magnétique ne soit pas aussi concluant que lors des tests. Il faudrait pour davantage de résultats opter peut-être pour un système de capteurs par IR. Deuxièmement, pour ce qui est de la commande des aiguillages. A l exception d une panne matériel (aiguillages n 6 et n 7), tout fonctionne comme prévu lors de nos études. Enfin, cette année nous n avons pas pu nous attarder sur la conception du logiciel de gestion de trains à proprement parler. Cela est du au fait que le boîtier IB- COM était tombé en panne l an dernier et que son retour en laboratoire n a été possible que très tard cette année. Dans une perspective d avenir, il faudrait remplacer les aiguillages défectueux, réaliser une recherche plus
approfondie afin de mieux mettre à profit le système des interrupteurs «reed» et finalement se lancer dans la programmation du dit logiciel de gestions de trains. 6. REFERENCES [1] http://www.meder.com/fileadmin/products/en_datash eets/3205172412e.pdf [2] http://sine.ni.com/ds/app/doc/p/id/ds-10/lang/en