utbildningssimulator av funktioner i spårfordon educational

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 del-komponenter på järnvägen. Simulatorn är en hårdvarubaserad prototyp över ett dörrsystem på spårfordon. Prototypen ska användas av systemspecialister och tekniker inom järnvägs-branschen. Simulatorn ger användare en teknisk demonstration av hur komponenter funge-rar i ett dörrsystem. Prototypen innehåller motor, brytare, reläer och givare. Komponenterna används för att illustrerar funktioner i ett dörrsystem på ett spårfordon. Utbildningssimula-torn kontrolleras med en styrenhet och genom tryckknappar för manuell styrning. För de-monstration av säkerheten vid av och ombordstigning används en optisk givare som symbo-liserar hinderdetektering.

Utbildningssimulatorn har två vanliga fel inbyggda: kabelfel och jordfel. En instruktions-manual bestående av ett kretsschema används för felsökning. Kretsschemat över dörrsyste-met 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 ko-der från en dörrdator som styr prioriteringen på vilka åtgärder som ska göras.

Nyckelord Utbildningssimulator, spårfordon, hårdvarubaserad, dörrsystem, prototyp, hinderdetekte-ring, 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 vehi-cles. 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 proto-type 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 priori-tizing for arrangements that will be made.

Keywords Educational simulator, rail vehicle, hardware-based, door system, prototype, obstacle detec-tion, 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 ar-bete. Kombinationen av järnvägen mot andra kurser i vår utbildning gjorde det extra intres-sant.

Examensarbetet genomfördes under våren 2015 på högskoleingenjörsprogrammet Elektro-teknik 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 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

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 Teknisk bakgrund – dörrsystem X61 ........................................................................................................ 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 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

3 Metoder och resultat ........................................................................................................................................ 11

3.1 Metodik och lösningsmetoder .................................................................................................................. 11

3.1.1 Metod ................................................................................................................................................. 11

3.1.2 Analys över styrenheter .................................................................................................................... 12

3.2 Prototyp av dörrsystem i en utbildningssimulator .................................................................................. 13

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 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

4 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. Utbildningar-nas 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 kun-skaper till verklighet [1].

1.2 Problemformulering Nyblivna systemspecialister och tekniker på underhållssidan i tågbranschen har i stor ut-sträckning 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 utbild-ningar 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 utbildnings-simulator 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 järnvägs-branschen, vad som finns på marknaden och teknisk bakgrund för dörrsystem X61. Tek-niska 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 utbild-ning. Simulatorer ska utveckla studenters tekniska kunskaper innan de testas på patienter. I detta syfte kan simuleringsverktyg ses som exemplariska eftersom de inte direkt kan på-verka 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 stu-denters 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 simu-lering. 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, signalsy-stem, 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].


2.3.2 RailSys Trafikeringen av järnvägsnätet ökar ständigt i takt med att antalet passagerare och gods-transporter 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 infra-strukturen på ett effektivt sätt. I plattformen ingår några olika delar:

• Simuleringsverktyg som kan simulera ett dygn på järnvägen med olika problemsitu-ationer.

• Tidtabellsverktyg för att enkelt skapa ett mönster för tågväg under en heldag. Verk-tyget räknar ut och värderar körtider med hänsyn till spårfordon från andra nätverk.

• Infrastrukturverktyg som kan beskriva och ändra olika typer av infrastrukturer utef-ter behov.

• Utvärderingsverktyg som analyserar resultat från simulatorn och tillhandahåller in-formation om förseningar, kvalitet och punktlighet för spårfordon [6].

2.3.3 Hårdvaruverktyg De vanligaste testverktygen för hårdvara inom järnvägsbranschen baseras på funktionskon-troll av enskilda eller hela system på spårfordon. Testerna innefattar allt från elektronik, pneumatik, hydraulik, kraftförsörjning, mätutrustning och mekaniska komponenter. Järn-vägsbranschen använder industristandarder för att på ett ekonomiskt och effektivt sätt kon-trollera utrustning [7]. Många företag kontrollerar järnvägskomponenter till exempel växel-låda, AC/DC motor, traktion mot branschens uppsatta industristandarder i testbänkar. Test-utrustningen 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 real-tidssimulator. Kontrollsystemet skickar impulssignaler till simulatorn och de viktigaste ut-signalerna är spänning, ström och mekaniska storheter som vridmoment och hastighet. Si-mulatorn 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 effek-tivt sätt. Det är avgörande att systemet är pålitligt och säkert för att optimera av och om-bordstigning för att spårfordon ska följa tidtabellen. Förseningar kan lätt uppstå på platt-formen när personer går av och ombord på spårfordonet [10].

Dörrsystem kan vara antingen elektrisk- eller pneumatisk drivna. Komponenterna i ett dörr-system 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 sen-sorer 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 fö-remål kommer i mellan dörrarna. Dörrsystem brukar vara uppbyggda för att bortse från små


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].

För att öka säkerheten mellan spårfordon och plattform vid av och ombordstigning fylls tomrummet med ett utfällbart trappsteg. Steget används för rörelsehindrade, barn och öv-riga passagerare. Trappsteget minskar avståndet och ger säkrare av och ombordstigning. Det finns två varianter av trappsteget som förbättrar säkerheten: flyttbara steg och utskju-tande 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 om-bord på spårfordon. Fotsteget kan anpassas med sensorer för att fällas ut olika långt bero-ende på plattforms utformning [11].

2.4.1 Öppning av passagerardörr Det finns tre sätt på ett spårfordon att öppna dörrar: passagerare, tågpersonal och central-styrning. 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.

• Öppning av Passagerare – Varje dörr är utrustad med tryckknappar på in- och utsi-dan. 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 for-donet uppfylla kravet stillastående.

• Centralstyrd öppning – Lokföraren har möjlighet att från förarhytten öppna alla dör-rar 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].

2.4.2 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

Figur 1 Dörrar på spårfordon X61 stängt/öppet


drivs av en stegmotor som fäller ut steget. Stationer har olika utformningar därför kan bred-den mellan plattform och spårfordon variera vilket kan orsaka att steget går emot plattfor-men 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.

• Centralstyrt – Lokföraren har möjlighet att centralt stänga alla passagerardörrar på spårfordon. Fordonet stänger inte dörrarna direkt utan först ges varningssignaler se-dan 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 dörrområ-det 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].

2.4.4 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 motorström-men och lagras i DCU. Ifall motorströmmen överskrider ett nominellt mätvärde ak-tiveras 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 pul-serna minskar kommer dörren att öppnas [12].


2.5 Komponenter i ett dörrsystem I ett dörrsystem används ett flertal komponenter däribland rörelsesensor, relä, temperatur-givare 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 sig-naler. 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, transformato-rer 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 på-verka strömställaren används olika varianter av kontakter till exempel vippor, tryckknappar och hävarmar [16].


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 proces-ser 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. Ström-genomgång behöver inte ta den kortaste vägen till jordpunkten utan det beror på vad mot-ståndet 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.

• Intermittenta fel blir vanligare när mängden kablage ökar. Felen uppstår när jord-felets 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 fa-ser. Isolationsförmågan över faserna gör att ytterligare jordfel uppkommer vilket re-sulterar ett dubbelt jordfel [19].

2.6.2 Reläfel I ett elkraftsystem kan det uppstå många fel med olika orsak och påverkan. System är upp-byggt 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 re-läskydd är elektromekaniska eller baserade på mikroprocessorer. Skydden innehåller en eller flera mätfunktioner och de är anpassade efter fel som uppstår i systemet. De kan kate-goriseras 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 re-läskydd i form av ett överströmsskydd. Med överström menas den ström som övers-tiger den dimensionerade märkströmmen för ett system eller en anläggning. Relä-skyddet 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


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 upp-kommer bland annat i transformatorer, spänningsregulatorer och kondensatorbatte-rier. Spänningsmätande skydd används för att övervaka spänningen. Skyddet reage-rar på spänningar som överstiger eller understiger det reglerade spänningsvärdet för kraftnätet [22].

2.6.3 Givarfel Fel på en givare beror på att givaren slutar att fungera elektriskt eller mekaniskt. Konse-kvenserna 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, temperatur-givare och nivågivare [23].

2.6.4 Kabelfel Det finns två vanliga typer av kabelfel som uppstår: kortslutning till jord och mellan signa-ler. 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 led-ningar 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.


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 po-sition 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 Arduino Uno Arduino Mega Raspberry Pi Digitala portar 14 54 40 Analoga portar 4 16 40 Minne 32 kb 256 kb 1 GB Anslutningar 1xUSB 1xUSB 4xUSB, HDMI Spänning 5 V 5 V 5 V

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 utbildnings-simulatorn och en analys av styrenhet.

3.1.1 Metod Analysera dörrsystem på spårfordon X61 och i allmänhet undersöka funktioner som an-vänds 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 instruktionsma-nual.

Steg 4:

• Konstruera två vanliga fel för spårfordon och applicera dem i prototypen för dörrsy-stemet.

Steg 5:

• Analysera fel i spårfordon. Fel som uppstår kan vara från något av de system som finns på ett spårfordon.


3.1.2 Analys över styrenheter En fördel med Arduino är att det finns många tillsatser som kan kopplas ihop med till ex-empel 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 pro-dukten 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 vidare-utveckling behövs lite funktioner för säkerhetsskull och extra minne. Raspberry Pi kan pro-grammeras i ett antal språk däribland: Scratch, Ruby, C/C++ och Python. Rekommendat-ionen 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 funkt-ioner.

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 förutsätt-ningar 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.


3.2 Prototyp av dörrsystem i en utbildningssimulator I följande avsnitt ges en beskrivning av hur utbildningssimulatorn är uppbyggd med block-schema, 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 frilägg-ning av dörr som består av de två huvudkraven: stillastående tåg och parkeringsbroms. Sty-renheten 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 tryck-knappen (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 mo-torn 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 avstäng-ningen av motor.

Figur 2 Blockschema över utbildningssimulatorn


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 parkerings-broms uppfyllas. När villkoren är uppfyllda kan man frilägga dörrarna. Efter fri-läggning 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 rö-relse. Ifall ett hinder upptäcks stänger hinderdetekteringen O1 av motorn. När dör-ren 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 dör-ren är stängd indikerar S1 med en diod.

Figur 3 Flödesschema över utbildningssimulatorn


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 ut-satta 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

Figur 4 Kopplingsschema över blad 1/3 på utbildningssimulatorn

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

D D

C C

B B

A A

CCCCCCCCCCC

CCCCCC

C

C

C11

C C

CCCCCCCCrrrrrrrr

C11

C

grrgggg

C1C

aarra

C

C

C1C

grgrg

C1C C11

C rrC aarrC

C18

C15

CCC55

CCC55

CCC5C

CCC5C

CC15C

C

CC55

11 1C

C1 CC

11CCC1

C

1rarCC

11 1C

CC

11C17

C1611

1C

C1911

1C

11

1C 8

9 5

C

1

CCC5C

CCC55

CC55

11

1C

C

5 9

8 1C

CC15C

CCC5C

9

5

8

1C

CC55

11 1CCC15C

1

CCC CC CC

CCCC

CC

C11C

1C

11

grgrgCarCrrrrr

12

1

4

A2

A1

A2

A1 A1

A2

8

A1

A2

11

7 10

A1

A2

2722

34 33

23

32

19

25

9

14 2

3

6

37

30

5

12

2411

40

eeeee

veve Dvvvvevevvvvvev vev

Dteet vteee vf

1 111

emevmemvDmvvmmmeev

A

1 3evemmtm5v5vvev025v2015

eeeee


Dteet vteee vf

1 111

emevmemvDmvvmmmeev

A


eeeee


Dteet vteee vf

1 111

emevmemvDmvvmmmeev

A


2v2

vW

233 233

vW

vW

vW

2v3232


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 ut-bildningssimulatorn 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


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


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 instruktionsma-nual 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 funkt-ionerna användes 24 volt likspänningskomponenter i utbildningssimulatorn. En likspän-ningstransformator användes för att transformera ner 230 volt växelspänning från väggutta-get till 24 volt likspänning.

Det används elva stycken 24 volts likspänningsreläer i konstruktionen för att styra och driva komponenterna i funktionerna.

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 dörrmekan-ism bestående av ett kugghjul och en tillhörande plint. För säkerhet kring dörrar används optiskt givare som illustrerar hinderdetektering.

Figur 7 Likspänningstransformatorn (230VAC/24VDC)

Figur 8 Relä


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.

Tryckströmställare är en tryckknapp med dubbeltryck eller momentan som används för att styra produktens funktioner.

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 styren-heten är aktiverad. Krav 2 indikeras med grön diod när tryckknappen är intryckt. På mel-lersta 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

Figur 10 Mikrogapströmställare

Figur 11 Tryckströmställare med diod och brytare

Figur 9 Likströmsmotor


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 (Fri-lägg) 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 fort-sätta till krav 2. Krav 2 består av två villkor: parkeringsbroms och traktion vilket illustrera-des 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. Funkt-ionen (Öppna) var beroende av komponenterna:

• Likströmsmotor • Strömställare • Optisk givare

Funktionen (Öppna) startades med en tryckknapp. Tryckknappen kopplades till lik-strömsmotor 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 bero-ende 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


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 spän-ningen 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 stäng-ningen 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 han-tera 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 in-byggda. För att komma åt felen får används de tryckknappar som framkallar felen i utbild-ningssimulatorn.

Bilagorna består av:

• 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.

3.3.7 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 an-vänder kretsschemat för att hitta felen. För felsökning var felen uppstår i prototypen re-kommenderas en multimeter. Användaren mäter sig framåt för att se var spänning och kon-takt tar vägen. När användaren hittar felet kopplas kabeln bort. Ifall det blev rätt har använ-


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 be-hövdes 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 dörrsy-stem. 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 kontak-ter 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 indikeringslam-por 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 re-spektive 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 förvän-tar 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 auto-matik. 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.


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 kon-taktledningen 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. Kon-taktledningshaveri 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 30-40 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 vil-ket 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 mjuk-varumodul 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 gränslägesbry-

tare eller tryckknappar blir kontrollerade mot krav, kända drifttillstånd, tid och fel-tillstånd.

• 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 dia-gnostiska koder. Tabellerna bygger på datablad från tillverkaren.

Tabell 2 Prioriteringstillstånd över dörrsystem X61

Prioritering A

Hög prioritet: Säkerheten för passagerare eller driftsäkerheten över dörr kan bli påverkad. Tågpersonal får som åtgärd att stänga av dörr.

Prioritering B

Låg prioritet: Säkerheten för passagerare eller driftsäkerheten över dörr påverkas inte. Problemen kan bli kontrollerade och lagade på slutstation.


Tabell 3 Funktioner och åtgärder

Funktion Åtgärd a 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.

b DCU försöker fortsätta funktionen (rörelse i dörr) utan åtgärder från tågper-sonal: med reparation eller avstängning av tågdörr.

c Ingen avstängning av funktionen (rörelse i dörr). Komponenten kommer inte att användas i dörrfunktioner längre.

d 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 koder

Prioritering Funktion Beskrivning

1 A b Kabelfel i elektronikkretsen som styr driv-motor för dörr.

2 A a Gränslägesbrytaren i dörren fungerar inte vid stängning och låsning.

4 A b Dörrar låser inte upp inom 3 sekunder. 5 A b Rörelsesensorer i dörr slutar fungera. 6 A b Hinderdetektering vid stängningssekvens

aktiveras efter ett bestämt antal upprepande stängningsförsök.

7 B d Övervakning av motorström vid öppningsse-kvens aktiveras efter ett bestämt antal uppre-pande öppningsförsök.

8 A b Internt säkerhetsrelä på DCU slutar fungera. 48 B c Tryckknappar för dörröppning slutar fungera. 206 A b Reläfunktion slutar fungera.

3.4.3 Diagnostiska koder över prioriteringstabellen I följande tabeller presenteras utförligt vad som händer och vad för åtgärder som kan an-vändas 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 tillver-karen IFE.


Tabell 5 Kabelfel i elektronikkrets

Diagnostisk kod: 1 Uppgift: Kabelfel i elektronikkretsen som styr drivmotor för dörr. Förutsättning: Drivmotor för dörr aktiveras (öppen/stängd riktning).

Diagnostiskt kriterium: Drivmotor för dörr aktiveras, ingen strömmätning. Diagnostisk borttag-ning:

Ifall drivmotor för dörr aktiveras igen och en ström mäts.

Möjlig lösning: Motorkrets, kablar, utgångskrets av DCU och motor kontrolle-ras.

Tabell 6 Gränslägesbrytaren i dörr

Diagnostisk kod: 2 Uppgift: Gränslägesbrytaren i dörren fungerar inte vid stängning och

låsning. Förutsättning: Drivmotor för dörr aktiveras (öppen/stängd riktning) och gräns-

lägesbrytare (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: 4 Uppgift: Dörrar låser inte upp inom 3 sekunder. Förutsättning: Drivmotor för dörr aktiveras (öppen/stängd riktning) och gräns-

lägesbrytare (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.


Tabell 8 Rörelsesensorer i dörr.

Diagnostisk kod: 5 Uppgift: Rörelsesensorer i dörr slutar fungera. Förutsättning: Drivmotor för dörr aktiveras (öppen/stängd riktning). Diagnostiskt kriterium: 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: 6 Uppgift: Hinderdetektering vid stängningssekvens aktiveras efter ett be-

stämt antal upprepande stängningsförsök. Förutsättning: Drivmotor för dörr aktiveras (stäng riktning) och gränslägesbry-

tare (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: 7 Uppgift: Övervakning av motorström vid öppningssekvens aktiveras

efter ett bestämt antal upprepande öppningsförsök. Förutsättning: Drivmotor för dörr aktiveras (öppen riktning) och gränsläges-

brytare (dörr stängd och låst) indikerar inte (dörr stängd och låst).

Diagnostiskt kriterium: Motorströmmen eller sätt-/tidsövervakning aktiveras på ett fast antal successiva öppningsförsök.

Diagnostisk borttagning: Anropet (öppet) ges på en (dörr stängd och låst) och dörr når fullt öppet läge utan avbrott under öppningssekvens.

Möjlig lösning: Signalingång på dörrlägesgivare vid DCU, drivmekanismen för dörr, rörelse i dörr, dörrjustering och anslutning av gränsläges-brytare (dörr stängd och låst) och kontroll av ingångskrets i DCU.


Tabell 11 Internt säkerhetsrelä

Diagnostisk kod: 8 Uppgift: Internt säkerhetsrelä på DCU slutar fungera. Förutsättning: Ingen. Diagnostiskt kriterium: Tillståndet för säkerhetsrelä (kontrolleras av signalen) överens-

stämmer inte med de aktiverande signalerna från säkerhetsrelä.

Diagnostisk borttag-ning:

Det logiska tillståndet av säkerhetsreläet motsvarar aktiverande-signaler.

Möjlig lösning: Aktiveringen av säkerhetsrelä enligt blockschemat för DCU och enligt kontroll av kopplingsschemat annars behöver DCU bytas.

Tabell 12 Tryckknappar för dörröppning.

Diagnostisk kod: 48 Uppgift: Tryckknapp för dörröppning slutar fungera. Förutsättning: Dörröppning med tryckknapp frigörs för att öppna dörr. Diagnostiskt kriterium: Insignalen vid DCU är aktiverad längre än en bestämd tidspe-

riod. Diagnostisk borttagning: DCU detekterar inte längre en aktivering av tryckknappar för

dörröppning. Möjlig lösning: Dörröppning med tryckknapp, kontroll av ingångskrets av

DCU och kablage.

Tabell 13 Reläfunktion

Diagnostisk kod: 206 Uppgift: Reläfunktion slutar fungera. Förutsättning: Ingen. Diagnostiskt kriterium: Tillståndet för reläet motsvarar inte de aktiverande signalerna

för reläet. Diagnostisk borttagning: Svarssignalen är lika med de logiska tillstånden för signalin-

gångarna till DCU. Möjlig lösning: Funktion av reläet, kontroll av kablage.

29 | ANALYS OCH DISKUSSION

4 Analys och diskussion

4.1 Utveckling av prototypen för dörrsystem

4.1.1 Illustrering av standardfunktioner Den största delen i detta examensarbete har varit att ta fram och utveckla en utbildningssi-mulator över spårfordon och dess delkomponenter. Simulatorn är en hårdvarubaserad proto-typ 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 till-gängligt arbetsmaterial och externa erfarenheter.

Prototypen konstruerades för ett generellt dörrsystem eftersom det ansågs ge bättre utveckl-ingsmöjligheter än att använda ett specifikt system. Komponenter som valdes att användas i prototypen baserades på verkliga komponenter i ett spårfordon. Ett problem var att kompo-nenter 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 övergri-pande standardfunktionerna för ett dörrsystem på spårfordon uppnåddes.

För att konstruera prototypen krävdes ytterligare kunskap om hur kopplingen mellan kom-ponenter skulle ske. Kopplingen mellan de olika reläerna som användes var en särskilt krä-vande 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 spår-fordon 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 standardfunkt-ionerna 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 spårfor-don men som är vanliga i dörrsystem: kabelfel och kortslutning (jordfel). Kortslutning upp-står när kablar kopplas ihop vilket genererar jordfel då potentialen ändras. Jordfelet i kret-sen 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.


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 pedago-giskt 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 ge-nom att dela upp projektet i ett antal nya projekt och målet med kretsschema som instrukt-ionsmanual uppnåddes.

4.2 Utvärdering

4.2.1 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 pro-blem. Framförallt innebär stillastående fordon mycket stora kostnader men det orsakar också indirekt förseningar. Nytillverkade spårfordon som sätts i drift har i större utsträck-ning 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 utbildningssimula-torn 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 användarsyn-punkt. Därför kan man konstatera att utvärderingen inte blev statistisk säkerlagt med en tillräcklig stor urvalsgrupp. För att använda prototypen mer kommersiellt bör en större test-grupp använda produkten för att hitta nya lösningsmetoder och bättre användarvänlighet.


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 använda-ren. 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 utbildningssimula-torn med systemet för traktion. Under förstudien visade det sig att traktion rent hårdvaru-mässigt 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 Mar-kus Dejeby begränsades utbildningssimulatorn till att endast konstruera en prototyp av ett dörrsystem. På grund av begränsade kunskaper inom PLC valdes även att använda en en-klare 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 plats-brist i konstruktionen av prototypen. Vid öppning av dörr kombineras trappsteg och dörr-öppning 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 temperatur-givare för att hålla trappsteg isfri och för att hålla ett tempererat klimat i vagnen. Tempera-turgivare valdes att inte ha med på grund av i illustrativt syfte är det svårt att visa tempera-turskillnader 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 simule-ringsprogrammen ORCAD och MATLAB. I ett senare skede visade det sig att de kompo-nenter som används till prototypen saknades i simuleringsverktyg. I ORCAD fanns tre bibliotek som kunde användas för simulering men de var för digitalteknik och inte kompo-nenter 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 an-vända 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 för-ståelse 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 tekni-ken 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. Effektivi-tet är ett vinnande koncept ur ett ekonomiskt perspektiv. Genom Effektivare underhållsar-bete minskas underhållskostnaderna. Det leder till en bättre ekonomisk och miljömässig hållbarhet.


Ett vanligt scenario för en tekniker som utför sitt arbete i form av en felsökning på ett spår-fordon 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 kompo-nent repareras istället för att bytas ut. Ur en miljösynpunkt där fokus finns på minska re-sursutnyttjandet 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 del-komponenter 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 pro-totypen är att den ska fungera som en utbildningssimulator för tekniker eller systemspecia-lister inom tågbranschen. Simulatorn ska ge en djupare förståelse för hur komponenter fun-gerar i ett system. Genom en instruktionsmanual bestående av ett kretsschema över proto-typen 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 för-ståelsen 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 verklighet-en 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 vidareut-veckling. Med ett antal fristående system som sammankopplas kan förståelse och felsök-ning utökas betydligt. Med en PLC styrenhet utökas möjligheter för att kunna illustrera tågets centraldator. Utöver kretsschema kan en utveckling av instruktionsmanualen där an-vändaren 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 Pub-licerad 2003. Hämtad 2015-06-06.

[3] V. Alveflo, ”Mjukvarubaserat utbildningsverktyg”, http://hh.diva-portal.org/smash/get/diva2:693189/FULLTEXT01.pdf Publicerad 2014-05-01. 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/Home-Downloads/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-Supply-Systems-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_Systems.pdf Publicerad 2015. Hämtad 2015-04-24.


[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 2006-06-09. Hämtad 2015-04-13.

[18] Elsäkerhetsverket ”Starkströmsföreskrifterna”, http://www.elsakerhetsverket.se/globalassets/foreskrifter/aldre-foreskrifter/1999-5.pdf Pub-licerad 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 2006-12-18. 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.


[25] Orcad, ”What is OrCAD EE (PSpice) Designer?”, http://www.orcad.com/products/orcad-ee-pspice-designer/overview Publicerad 2015. Häm-tad 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 2013-08-15. 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/Anlaggningstekniska-omraden/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.

39 | BILAGOR

Bilagor

Bilaga 1 Kretsschema blad 1/3

5 5

4 4

3 3

2 2

1 1

DD

CC

BB

AA

CCCCCCCCCCC

CCCCCC

C C

C11

CC

CCCCCCCCrrrrrrrr

C11

Cgrrgggg

C1C

aarra

C C

C1C

grgrg

C1C

C11

C rrC aarrC

C18

C15

CCC55

CCC55

CCC5C

CCC5C

CC15C

C

CC55

111C

C1CC

11CCC1

C

1rarCC

111C

CC 11C17

C16

11 1C

C19

11 1C

11

1C8

95

C1

CCC5C

CCC55

CC55

11 1C C

59

81C

CC15C

CCC5C

9 5

8 1C

CC55

111C

CC15C

1CCC

CCCC

CCCC

CC

C11C

1C11

grgrgCarCrrrrr

121 4 A2

A1

A2

A1

A1

A2

8

A1

A2

11710 A1

A2

27 22 3433

23

32

19

25

9

142 3

6

37 30

5

12

241140

eeeee

veve

Dvv

vvev

evvvv

vev

vev

Dteet

vte

eevf

1111

emevme

mvDmvvmmmeev

A

13

evem

mtm5v5vv

ev02

5v201

5

eeeee

veve

Dvv

vvev

evvvv

vev

vev

Dteet

vte

eevf

1111

emevme

mvDmvvmmmeev

A

13

evem

mtm5v5vv

ev02

5v201

5

eeeee

veve

Dvv

vvev

evvvv

vev

vev

Dteet

vte

eevf

1111

emevme

mvDmvvmmmeev

A

13

evem

mtm5v5vv

ev02

5v201

5

2v2

vW

233

233

vW

vW

vW

2v3

232

40 | BILAGOR


5 5

4 4

3 3

2 2

1 1

DD

CC

BB

AA

888

VVVV

11111

11113

11113

11113

886

887

22221V

31

rrrrr1rr1rrrrr

115

111V

889

11VV

11VV

889

11 1V1V1V

11113

111V

1V1V

1111

131V

1111

1315 13

15

8282

8810

rrtrtrttr

1111V

111V

11rrtrtrttr

ggrgtrgtrtgrtrgrr

rtr rr1

rtr rr1

2nrr1nnntr

82

8rrr11

2nrr1 rrrrg

ggrgtrgtrtgrtrgrr

rrrrr1rr1rrrrr

A1

A2

20 A2

A1

A2

A1

38

22

2615

19

A1

A2

3535

25

36

37

A1

A2

44

45

21

eeeee

veve

Dvvvv

evevv

vvve

vvev

Dteet

vte

eevf

1111

emevme

mvDmvvmmmeev

A

23

evemmt

m5v5vv

ev02

5v201

5

eeeee

veve

Dvvvv

evevv

vvve

vvev

Dteet

vte

eevf

1111

emevme

mvDmvvmmmeev

A

23

evemmt

m5v5vv

ev02

5v201

5

eeeee

veve

Dvvvv

evevv

vvve

vvev

Dteet

vte

eevf

1111

emevme

mvDmvvmmmeev

A

23

evemmt

m5v5vv

ev02

5v201

5

1v1

vW

111

111

155

41 | BILAGOR


5 5

4 4

3 3

2 2

1 1

DD

CC

BB

AA

333333

511

812

56

0104144

V24V

ggggg3gggggggg

4241

4241

dggd

ggggggggggggggggggg 15

1718

161326

14

eeeee

veve

Dvvvv

evevv

vvve

vvev

Dteet

vte

eevf

1111

emevme

mvDmvvmmmeev

A

33

5vemtm5v5

tmv225v251

5

eeeee

veve

Dvvvv

evevv

vvve

vvev

Dteet

vte

eevf

1111

emevme

mvDmvvmmmeev

A

33

5vemtm5v5

tmv225v251

5

eeeee

veve

Dvvvv

evevv

vvve

vvev

Dteet

vte

eevf

1111

emevme

mvDmvvmmmeev

A

33

5vemtm5v5

tmv225v251

5

555

554

555

3 -V

511 551

1 2

554

42 | BILAGOR

Bilaga 4 Kretsschema styrenhet

5 5

4 4

3 3

2 2

1 1

DD

CC

BB

AA

OOOOOOOOOOO

DDD

DDD

33

8

3

C DD

C

3C

DCC

C D

DC

5

+ -

5

+

CC DC DC rrDrrrrrr

5OODO

eeeee

veve

Dvvvv

eveOv

vvve

vvev

Dteet

vte

eevf

1111

etevte

tOttvvttteevOtetvevt

ee

A

11

5vettt5O5

ttO225O251

5

eeeee

veve

Dvvvv

eveOv

vvve

vvev

Dteet

vte

eevf

1111

etevte


ee

A

11

5vettt5O5

ttO225O251

5

eeeee

veve

Dvvvv

eveOv

vvve

vvev

Dteet

vte

eevf

1111

etevte


ee

A

11

5vettt5O5

ttO225O251

5

AAv

2553

A

1B1

2B2

3B3

4B4

5B5

BBB

BBB

1C1B

2C15

3C14

4C13

5C12

BC11

BC15

CO5

9

43 | BILAGOR

Bilaga 5 Kretsschema över inbyggda fel

5 5

4 4

3 3

2 2

1 1

DD

CC

BB

AA

1111

1lllllll

118

99

5559

1))))l))))))))))))lll)

vv5v

d)))

dd)

n)d)

lll))5)l)l)llll)l)lll

1ll)1

1ll)v

r)r))l))lv)r))))

1))))l)))vv5V

119

99

5v53

46 49 A1

A2

A1

A2

47

54 A1

A2

5048

19

eeeee

veve

Dvv

vvev

evvvv

vev

vev

Dteet

vte

eevf

1111

elevle

lvllvvllleevvlee

A

11

evel

ltl5v5vv

ev02

5v201

5

eeeee

veve

Dvv

vvev

evvvv

vev

vev

Dteet

vte

eevf

1111

elevle

lvllvvllleevvlee

A

11

evel

ltl5v5vv

ev02

5v201

5

eeeee

veve

Dvv

vvev

evvvv

vev

vev

Dteet

vte

eevf

1111

elevle

lvllvvllleevvlee

A

11

evel

ltl5v5vv

ev02

5v201

5

vW

vW

1111

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 }

utbildningssimulator av funktioner i spårfordon educational

Documents