of 45/45
Automatizări în industria vagoanelor de călători 1 Automatizări în industria vagoanelor de călători Capitolul 1. Circulaţia feroviară modernă - scurtă caracterizare Transporturile feroviare, deşi afectate uneori de diferite crize circumstanţiale, îşi vor păstra în viitorul previzibil o solidă prezenţă în viaţa economică europeană. Făcând o paralelă între transporturile pe calea ferată (CF) şi principala sa concurentă, circulaţia rutieră, vom găsi destule argumente favoarabile transporturilor pe calea ferată [32], [33]. În tabelul următor se face o comparaţie prin indicatori între circulaţiile feroviară şi rutieră, valoarea maximă a indicatorului de calitate fiind 1. TABELUL 1 CIRCULAŢIA FEROVIARĂ INDICATOR CIRCULAŢIA RUTIERĂ CF auto doar pe căi proprii 0,7 1 căi libere, nelimitate preţ scăzut 1 0,9 preţ scăzut capacitate de transport mare 1 0,8 capacitate de transport medie consum de combustibil f. scăzut 1 0,5 consum mai mare circulaţie extrem de sigură, linia protejată contra circulaţiei altor vehicule, întreţinere continuă 1 0,7 circulaţie mai riscantă, calea fiind protejată numai în cazul autostrăzilor conducere reglementată şi normată, personal profesionist, supravegheat medical 1 0,7 conducere nenormată, la lati- tudinea individului, profesionişti + neprofesionişti circulaţie şi riscuri neinfluenţate de starea meteorologică sau de factori geografici 1 0,9 condiţiile meteo şi factorii ge- ografici influenţează riscurile de accidente poluare scăzută 1 0,7 importantă sursă de poluare deosebit de adaptabile la: tehnologiile de vârf energia electrică automatizări electronice 1 1 1 0,9 0,6 0,8 adaptabile la: tehnologiile de vârf energia electrică automatizări electronice Pentru o distanţă de 800 km, parcursă de avion în cca. 2 ore, un tren de mare viteză (TGV) are nevoie de 3 - 4 ore, un tren modern (Inter-City) de 5 - 6 ore iar un automobil de 6 - 8 ore. Pe lângă avantajele menţionate, călătoria pasagerilor pe calea ferată este caracterizată printr-un confort deosebit. În interiorul trenului există libertate de mişcare, restaurant, instalaţii sanitare, posibilitatea de a dormi în cuşete, mijloace mass media şi

Automatizări în industria vagoanelor de călători

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Automatizări în industria vagoanelor de călători

Microsoft Word - 1Trans.DOCAutomatizri în industria vagoanelor de cltori
Capitolul 1. Circulaia feroviar modern - scurt caracterizare Transporturile feroviare, dei afectate uneori de diferite crize circumstaniale, îi
vor pstra în viitorul previzibil o solid prezen în viaa economic european. Fcând
o paralel între transporturile pe calea ferat (CF) i principala sa concurent, circulaia
rutier, vom gsi destule argumente favoarabile transporturilor pe calea ferat [32], [33].
În tabelul urmtor se face o comparaie prin indicatori între circulaiile feroviar i
rutier, valoarea maxim a indicatorului de calitate fiind 1.
TABELUL 1
CIRCULAIA FEROVIAR
pre sczut 1 0,9 pre sczut
capacitate de transport mare 1 0,8 capacitate de transport medie
consum de combustibil f. sczut 1 0,5 consum mai mare
circulaie extrem de sigur, linia
protejat contra circulaiei altor
fiind protejat numai în cazul
autostrzilor
tudinea individului,
profesioniti + neprofesioniti
factori geografici
ografici influeneaz riscurile
deosebit de adaptabile la:
1 1 1
0,9 0,6 0,8
• tehnologiile de vârf • energia electric • automatizri electronice
Pentru o distan de 800 km, parcurs de avion în cca. 2 ore, un tren de
mare vitez (TGV) are nevoie de 3 - 4 ore, un tren modern (Inter-City) de 5 - 6 ore iar
un automobil de 6 - 8 ore.
Pe lâng avantajele menionate, cltoria pasagerilor pe calea ferat este
caracterizat printr-un confort deosebit. În interiorul trenului exist libertate de micare,
restaurant, instalaii sanitare, posibilitatea de a dormi în cuete, mijloace mass media i
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 2
de telecomunicaie, personal însoitor, etc.. Echipamente speciale asigur iluminarea
corespunztoare i condiionarea aerului.
Tendina general este de pstrare a cii de rulare clasice roat - in, dar în
condiiile creterii vitezelor de exploatare pân la 300 - 350 km / or. Noi generaii de
linii i trenuri de mare vitez se suprapun sau le înlocuiesc pe cele existente,
prefigurându-se o reea european de mare vitez. Exist deja o experien solid în
exploatarea trenurilor de mare vitez, concluziile fiind foarte încurajatoare. Fcând o
comparaie între trenurile de mare vitez i cele convenionale dup aceleai criterii ca
i cele din Tabelul 1, se constat o superioritate evident a transportului de mare vitez.
Singurele pucte la care transportul convenional rmâne superior sunt consumul de
combustibil (90 % din consumul de la mare vitez) i condiiile mai puin pretenioase de
execuie a cii ferate i a materialului rulant. De fapt, este evident c transportul feroviar
de mare vitez implic o întreag familie de noi tehnologii. Datorit acestor tehnologii,
dei pare paradoxal, sigurana transportului de mare vitez actual este chiar superioar
siguranei transportului convenional (indice de calitate 1 fa de 0,95). Pentru România
se pune problema atingerii vitezei de 200 km / h.
Capitolul 2. Echipamentele din dotarea vagoanelor de cltori moderne
2.1 Tablourile electrice de comand a instalaiilor
Toate tablourile de comand, distribuie, manevr i control al aparaturii electrice
i electronice din vagonul de cltori sunt de regul incluse într-un dulap plasat cât mai
accesibil, pe unul dintre peroanele vagonului (UIC 550). Ua lui trebuie prevzut cu
geam iar echipamentele coninute trebuiesc grupate în dou zone, una destinat perso-
nalului însoitor i alta destinat personalului de întreinere. Zona accesibil personalului
însoitor trebuie s conin:
• organele de comand (pornirea i oprirea consumatorilor);
• organele de control i semnalizare a bunei funcionri i a defeciunilor.
Un microfon pentru sonorizare este plasat tot în dulap, astfel încât s fie accesibil
numai prin deschiderea uilor.
2.2 Alimentarea consumatorilor cu energie electric
Principala surs de energie electric a vagoanelor de cltori este linia de înalt
tensiune a trenului, alimentat de locomotiv fie printr-un transformator fie prin diferite
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 3
convertizoare cu tiristoare GTO. Prin fia 552, UIC admite patru tensiuni diferite care se
pot transmite prin linia trenului: 1500 Vcc (utilizat i în România), 3000 Vcc ,1500 V / 50
Hz i 1000 V / 16 2/3 Hz. Consumatorii pot fi alimentai fie de la linia de înalt tensiune a
trenului (direct sau prin convertizoare) fie de la baterie.
Consumatorii conectai direct la linia de înalt tensiune a trenului trebuie
dimensionai pentru cel puin una dintre tensiunile admise de UIC, dar nu este necesar
echiparea pentru toate cele patru tensiuni. Comutarea consumatorilor i adaptarea la
tensiunea existent pe linia trenului trebuie s se fac automat, printr-un selector de
tensiuni. Acest selector trebuie s funcioneze corect în gama 700 ... 3900 V. Dac
tensiunea depete 3900 ±100 V instalaia trebuie decuplat. Restabilirea alimentrii
se va face la scderea tensiunii sub 3700 ±100 V. Întreruperile de scurt durat cauzate
de pantograf nu trebuie s duc la comutarea consumatorilor. Pentru evitarea
oscilaiilor alimentrii se recomand introducerea unor histereze între pragurile de
selectare a tensiunilor sau chiar identificarea tensiunii existente pe linie prin msurarea
frecvenei sale.
Consumatorii conectai direct la linie, în special convertizoarele cu tiristoare,
trebuiesc astfel realizai încât perturbaiile produse s se menin în limite admisibile,
pentru a nu deranja sistemele de comunicaie prin linie ale locomotivei. În cazul
consumatorilor de curent alternativ factorul de putere nu trebuie s fie sub 0,85.
Fiecare vagon trebuie dotat cu o baterie de acumulatoare cu tensiunea nominal
de 24 V cu scopul de a asigura iluminatul i unele funcii de comand vitale chiar i în
cazul lipsei tensiunii de linie. Bateria trebuie astfel dimensionat încât s asigure 5 ore
de iluminat general sau 3 ore de iluminat general în paralel cu funcionarea instalaiei de
înclzire i a altor circuite cu un consum energetic redus. Fiecare baterie trebuie s aib
un convertizor static de încrcare propriu alimentat de la linia trenului. Încrcarea
bateriei trebuie pornit imediat dup conectarea liniei trenului la tensiune. Trebuie
evitat i supraîncrcarea bateriei, în cazul unor perioade prelungite cu consum
energetic redus.
Pentru economia de energie i prelungirea duratei de funcionare a bateriei în ca-
zul întreruperii alimentrii, se recomand urmtoarele msuri:
• o parte a iluminatului general, inclusiv lmpile de citit, pot fi puse în funciune numai
când linia trenului este alimentat; decuplarea acestor circuite trebuie îns executat
numai dup o temporizare de cca.10 minute;
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 4
• ventilaia poate fi pus în funciune numai când linia trenului este alimentat;
decuplarea ei trebuie îns executat numai dup o temporizare necesar pentru rcirea
rezistenelor de înclzire;
• consumatorii pot fi deconectai în caz de defeciune sau dac rezerva de energie a
bateriei scade sub o anumit limit; nu se admite îns decuplarea echipamentului de
comand i de supraveghere i nici decuplarea frânei electromagnetice i a dispozitivu-
lui de antiblocare a roilor.
O problem deosebit este asigurarea energiei suplimentare cerut de
demararea instalaiei (convertizoare, motoare, inductiviti, capaciti, etc.). Dup o
oprire prelungit convertizoarele trebuie s asigure imediat întregul necesar de energie
al vagonului, bateriile trebuind s asigure 5 demaraje succesive. Energia necesar
demarajelor poate fi luat de la linia trenului, de la baterie sau de la o baterie
suplimentar utilizat numai în acest scop. Pentru garantarea demarajelor rezerva de
energie a bateriei trebuie asigurat prin dispozitive speciale - relee de temporizare sau
relee de minim tensiune.
La anclanarea unui consumator prima semiperioad de curent nu trebuie s
depeasc 180 A pentru o tensiune alternativ de 1000 V i 16,66 Hz, partea pur
inductiv sau capacitiv netrebuind s depeasc 40 A. De aceea consumatorii cu un
caracter puternic reactiv, cu puteri mai mari de 10 kVA din tot trenul, trebuiesc conectai
cu întârziere variabil unul fa de altul, pentru a evita declanarea disjunctorului princi-
pal de pe locomotiv.
Toate circuitele de joas tensiune ale instalaiei electrice, inclusiv bateria, trebu-
iesc protejate prin sigurane fuzibile sau automate În cazul motoarelor trifazate toate
fazele trebuie s fie decuplate simultan.
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 5
Linia de înalt tensiune a trenului 24Vcc Figura 2.1 Principalii consumatori electrici din vagoanele de cltori.
2.3 Frâna i dispozitivul antiblocator de comand a frânei
O problem specific vagoanelor de mare vitez este ridicat de frânare. Frânele
clasice, cu saboi, sunt acionate pneumatic, dar pentru viteze mai mari de 160 km/h
devine obligatorie suplimentarea lor cu frâne disc sau electromagnetice, tip patin [1]. În
cazul vagoanelor motorizate se pot utiliza diferite combinaii de frâne pneumatice, elec-
tromagnetice i recuperative [21].
Fiecare osie a vagonului trebuie dotat cu câte un dispozitiv antiblocator,
independent, cu rolul de a evita blocarea roilor în timpul frânrilor, blocare care ar avea
efecte deosebit de negative asupra distanei de frânare i asupra uzurii roilor i a liniei
(UIC 541). Traductoarele instalate pe osii sunt de obicei senzori de proximitate inductivi
[22], [23] sau mai recent, traductori optici incrementali, care pot rezista vibraiilor i
ocurilor care caracterizeaz sistemul roat-in. Dispozitivul antiblocator trebuie s fie
eficace pentru orice condiii de mediu. Din acest motiv se admite aplicarea mai multor
criterii de reglare, pentru obinerea unei reglri adaptive [1]. Funcionarea dispozitivului
antiblocator depinde de vitezele de acionare ale elementelor de execuie, care este cri-
tic mai ales în cazul frânelor pneumatice, mai lente decât cele electromagnetice.
SELECTOR DE TENSIUNI
ILUMINAT
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 6
În figura 2.2 se prezint o configuraie tipic de frân pneumatic dotat cu
antiblocator electronic.
Figura 2.2 Frân pneumatic cu antiblocator electronic.
O prezentare mai amnunit a sistemului de frânare i a dispozitivelor anti-
blocatoare este fcut în capitolul 4.
2.4 Uile de acces i de intercomunicaie
Comandarea deschiderii automate a uilor de acces se poate face prin butoane
sau prin mânierele uii (UIC 560). Acionarea uilor se face fie pneumatic fie electric.
Când la închidere uile întâlnesc un obstacol, pentru protejarea pasagerilor trebuie
luat una dintre urmtoarele trei msuri:
• redeschiderea imediat a uilor i reluarea închiderii numai dup 10 secunde;
• neutralizarea aciunii de închidere pentru o perioad de 10 secunde;
• continuarea închiderii numai dac fora de închidere este mai mic de 150 N.
Pentru telecomandarea închiderii uilor se vor utiliza firele 9 i 12 ale cablului de
sonorizare definit prin fia UIC 568. Închiderea automat a uilor poate fi comandat i
Modul de comand
Distribuito Rezervor auxiliar
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 7
local, la cca. 10 secunde de la ultima trecere a unui pasager. Sesizarea prezenei pasa-
gerilor se realizeaz cu ajutorul unor fotorelee sau prin traductoare instalate în pragurile
vagonului [9].
Când viteza trenului depete 5 km/h uile de acces trebuiesc blocate automat,
pentru a se evita orice posibilitate de deschidere a lor în timpul mersului. Fiecare vagon
trebuie s dispun de propriul dispozitiv de blocare dar este recomandabil s existe i
un dispozitiv central care s permit blocarea uilor de acces de pe partea opus
peronului, în cazul opririi în gri i chiar blocarea tuturor uilor în cazul staionrilor în
afara grilor. Deblocarea automat a uilor trebuie s se produc înainte de oprirea
trenului, imediat dup scderea vitezei sub 5 km/h. În zona fiecrui peron de la capetele
vagonului trebuie s existe câte un dispozitiv de urgen pentru anularea blocrii uilor
din întregul tren.
Comandarea uilor de intercomunicaie se face asemntor, fr a fi îns nece-
sar nici telecomandarea nici blocarea uilor.
2.5 Ventilaia, înclzirea i climatizarea vagoanelor
Fiecare vagon din traficul internaional trebuie dotat cu un sistem de condiionare
a aerului (UIC 553) care trebuie s asigure o serie de parametrii de temperatur, umidi-
tate, cureni de aer, etc. Valoarile impuse pentru temperatura i umiditatea din comparti-
mente sunt cuprinse între 20 ... 27OC respectiv între 35 ... 65% (vezi i pct. 5.2). Fun-
cionarea sa trebuie s fie complet automat iar elementele de înclzire trebuiesc prote-
jate prin dispozitive separate, prioritare, pentru evitarea supraînclzirii lor.
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 8
În figura 2.3 sunt prezentate elementele generice ale instalaiei.
Figura 2.3 Elementele instalaiei de condiionare a aerului din vagon.
Alimentarea instalaiei de condiionare a aerului se realizeaz în general prin
tensiuni trifazate create cu ajutorul convertizoarelor statice. Ventilatoarele antrenate prin
motoare asincrone pot fi astfel alimentate la tensiuni trifazate cu amplitudine i
frecven variabile, rezultând o reglare continu a debitului de aer. Agregatul de rcire
poate funciona cu o putere reglabil, fie în trepte fie continuu. Aerul climatizat este
distribuit în întregul vagon printr-un canal având guri de aerisire în fiecare compartiment
i în celelalte zone ale vagonului. Se creaz un circuit, o mare parte a aerului fiind
recirculat în vederea economiei de energie. Aerul proaspt poate fi dozat printr-o
clapet de amestec. Un model matematic al acestui sistem este prezentat în capitolul 5.
O noutate în acest domeniu o reprezint sistemele cu fluid intermediar [18] care
permit o deosebit flexibilitate a configurrii instalaiei (coexistena rcirii cu înclzirea,
etc.), necesitând i o cantitate mult mai redus de agent frigorific. Agregatul de rcire
propriuzis este în acest caz încorporat într-un circuit intermediar având ca agent un
amestec de ap, alcool i anumii aditivi.
clapet de recir- culare
aer
element de înclzire sau schimbtor de cldur
rcitor înclzito ventilato
2.6 Diagnosticarea automat a echipamentelor vagoanelor de cltori
O funcie relativ nou a sistemelor de comand din vagoane, având un rol de
integrare i de supervizare a tuturor echipamentelor componente, este diagnosticarea
automat. Conform fiei UIC 557 toate vagoanele de pasageri din traficul internaional
trebuiesc dotate cu echipamente de diagnosticare capabile de a detecta cât mai rapid i
cât mai complet orice defeciune, de a identifica cel mai mic element interschimbabil
care s-a defectat, de a afia diagnosticarea pentru operatorii umani, de a comunica cu
alte echipamente similare i de a memora rezultatele diagnosticrii în vederea utilizrii
lor ulterioare.
Tendina general este ca prin comenzi microprogramabile s se rezolve i alte
sarcini, cum ar fi monitorizarea procesului, determinarea frecvenei defectelor,
determinarea circumstanelor defectelor i atenuarea efectelor defeciunilor.
În fi se propun dou arhitecturi pentru sistemele de comand prevzute cu
diagnosticare:
• în cazul în care se dispune de un singur calculator, acesta preia atât comanda
instalaiilor vagonului cât i diagnoza;
• în cazul în care sunt disponibile mai multe calculatoare, se organizeaz o reea
proprie a vagonului gestionat de un singur calculator central; conducerea instalaiei se
realizeaz la nivel local, pentru fiecare funcie în parte.
Caracterizând pe scurt cele dou arhitecturi propuse putem conchide c prima
dintre ele este mai economic, dar pe de alt parte mai puin performant.
Centralizarea excesiv impieteaz asupra vitezei de lucru în cazul fiecrui proces în
parte i de asemenea asupra fiabilitii i mentenabilitii. O defeciune a calculatorului
poate antrena blocarea întregii instalaii. Dezavantajele menionate sunt înlturate în
cazul variantei a doua, dar realizarea unei reele care s prezinte o fiabilitate foarte
bun i o funcionare în regim de perturbaii presupune echipamente deosebite,
realizate în condiii tehnologice de vârf i cu un pre ridicat.
Se poate imagina o soluie intermediar obinut prin introducerea între cal-
culatorul principal i procesele conduse a unui nivel suplimentar, alctuit din mai multe
module microprogramabile de tipul automat programabil sau microcontroler. Aceste
module sunt distribuite în vagon, în imediata apropiere a proceselor conduse. Astfel
unitatea central va fi degrevat de conducerea efectiv a proceselor, asigurând numai
coordonarea sistemului i comunicarea cu magistrala trenului. Conducerea proceselor
va avea loc independent, meninându-se în funciune chiar i în cazul ruperii legturii cu
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 10
calculatorul central. Mai mult, dac modulele sunt identice din punct de vedere
hardware, ele devin interschimbabile prin simpla comutare a programului de
funcionare, rezultând o mentenabilitate excepional a sistemului. Un alt avantaj al
arhitecturii modulare-distribuite este reducerea volumului de cablaj, informaiile
referitoare la conducerea direct a proceselor nemaitrebuind s fie transmise
calculatorului central. În figura 2.4 este prezentat o structur modular-distribuit de
sistem de comand al vagonului de cltori.
Diagnosticarea automat, în forma ei cea mai simpl, furnizeaz codurile nume-
rice ale defeciunilor constatate, prin afiaje cu 7 segmente. Pot fi utilizate i afiaje LCD
sau tuburi catodice. Operatorul dispune de taste prin care poate iniia un dialog pentru
detalierea informaiilor. Tablourile electrice trebuiesc dotate cu un conector destinat
conectrii echipamentelor portabile de testare, care se utilizeaz la revizia vagoanelor.
Foarte des utilizat este înregistrarea defeciunilor prin memorii semiconductoare sau
dischete.
Autorul acestui referat a atacat problema diagnosticrii automate a instalaiilor
electrice a vagoanelor de cltori înc din 1986, prin realizarea unui dispozitiv portabil,
bazat pe automatul programabil AP MICRO (Automatica) [37]. Ieirile de tip releu i
intrrile acestui automat programabil sunt conectate printr-o cupl de testare la tabloul
electric de comand a înclzirii i ventilaiei al vagonului cod 209. Prin injectarea unor
semnale de comand care provoac anclanarea releelor i contactoarelor i urmrirea
cu ajutorul intrrilor de 24 Vcc a rspunsurilor tabloului se poate depista oricare dintre
elementele defecte i se poate stabili natura defectului (lipsa alimentrii sau defecte de
contact, indicându-se contactele în cauz). Din pcate în România nu s-a ajuns înc la
aplicarea vreunei metode de diagnoz automat, din cauza lipsei de interes a CFR. Mai
mult, chiar vagonul CORAIL, a crui licen a fost cumprat în ultimii ani, nu
corespunde integral cerinelor UIC, nedispunând de un sistem de diagnosticare
centralizat. În schimb fiecare component a instalaiei (dispozitivul antiblocator, uile
de acces, convertizorul trifazat, etc.) dispun de propria diagnoz, prin indicarea
codurilor numerice ale defeciunilor constatate. Convertizorul trifazat se distinge, printr-
un dispozitiv de diagnosticare automat care indic modulele defecte [7].
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 11
MAGISTRALA TRENULUI .......
Figura 2.4 Arhitectura unui sistem de comand i diagnoz modular distribuit pentru vagoanele de pasageri.
CALCULATOR CENTRAL
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 12
Un mare procentaj de evenimente nedorite aprute în timpul exploatrii
vagoanelor de cltori se datoreaz scurtcircuitelor aprute în sistemul de
cablare. Cea mai eficient msur împotriva acestor scurtcircuite este utilizarea
releelor automate de protecie. Instalaia electric a vagonului trebuie izolat în
totalitate fa de carcasa metalic, chiar i pentru circuitele de joas tensiune.
Scurtcircuitele care se produc prin carcas pot fi evitate prin msurarea rezis-
tenei de izolaie dintre circuitele protejate i carcas i decuplarea automat în
cazul scderii rezistenei de izolaie sub o valoare critic. În România au fost
brevetate astfel de relee atât pentru cazul circuitelor de 24 Vcc cât i pentru
cazul reelelor trifazate [40]. Un astfel de releu, brevetat de autorul acestui
referat, destinat reelelor trifazate cu nul izolat, se bazeaz pe msurarea
tensiunilor de dezechilibru care apar în sistemul trifazat când rezistena de
izolaie a unuia dintre elementele reelei fa de carcasa vagonului scade sub o
valoare critic. Prin analizarea automat a tensiunilor dintre fazele R,S,T, nul pe
de o parte i carcas pe de alt parte, se poate indica faza a crei izolaie este
slbit, uurând depanarea. Prin aplicarea acestei metode se elimin de
asemenea i riscul electrocutrilor.
Capitolul 3. Echipamente neconvenionale
Pe lâng echipamentele convenionale, impuse prin fiele UIC i pre-
zente sub o form sau alta în orice vagon de cltori, se pot întâlni i echipa-
mente automate destinate unor funciuni neconvenionale, având ca scop
creterea siguranei circulaiei i a confortului cltoriei.
3.1 Cutii negre pentru vehicule feroviare
În urma dotrii avioanelor cu aa numitele “cutii negre”, înregistratoare
ale parametrilor zborului în momentele premergtoare unor incidente grave, se
creaz ansa de a se putea stabili ulterior, pe baza datelor înregistrate, a
cauzelor incidentului. Având în vedere creterea siguranei zborurilor astfel
obinut, ideea este în curs de a se impune i în transportul pe calea ferat [9].
Prin creterea numrului de parametri înregistrai i a capacitii de înregistrare
se pot obine în plus date statistice despre comportarea materialului i a
operatorilor umani, rezultând îmbuntiri spectaculoase ale performanelor
vehiculelor.
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 13
Un astfel de dispozitiv cuprinde circuitele de achiziie, procesare i sto-
care a datelor, adpostite de o cutie robust de mici dimensiuni. Memoria
semiconductoare este modular, modulele fiind ridicate periodic în vederea
prelucrrii datelor. Singura operaie de întreinere necesar este înlocuirea
bateriei ceasului-calendar.
Datele achiziionate pot fi de patru categorii:
• date digitale provenite de la relee, senzori sau ieiri ale echipamentelor
electronice, referitoare la: conectarea motoarelor, sensul de turaie, frâne, ui,
nivel de ulei, lmpi de semnalizare, etc.;
• date analogice provenite de la traductoarele de vitez, temperatur, nivel de
combustibil, tensiuni de alimentare, etc.;
• impulsuri modulate în durat referitoare la efortul de traciune, la turaii, etc.;
• date vehiculate prin magistrale (de exemplu de tip RS232, RS422 sau
RS485).
Aceste cutii negre sunt conduse de microprocesoare i dispun de pro-
grame de autotestare i autodiagnosticare. Memoria semiconductoare
EEPROM este astfel realizat încât s poat rezista unei eventuale catastrofe.
Prin echipamente asemntoare se pot monitoriza parametrii inutei de
drum a vagonului [12]. Datele necesare sunt obinute prin accelerometre pe trei
direcii ortonormale, montate pe boghiuri.
3.2 Numrarea automat a cltorilor
În transportul suburban sau regional pe calea ferat optimizarea
planificrii i deciziile economice trebuie s se bazeze pe cunoaterea cât mai
precis a fluxului de cltori. De exemplu alegerea dintre utilizarea unui tren
tractat cu locomotiv sau a unei rame automotoare uoare depinde de numrul
de pasageri ateptat. Pentru acest tip de trafic simpla numrare a biletelor
vândute nu este suficient din cauza diferitelor sisteme de abonamente i a
impreciziei dependenei distan parcurs - pre al biletului. Din acest motiv s-a
propus automatizarea numrrii pasagerilor. Cea mai spectaculoas soluie din
domeniu presupune numrarea computerizat i corelarea cu sistemul global
Navsat de poziionare prin satelit (GPS) [8]. Funciile realizate de sistemul de
numrare sunt:
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 14
• sesizarea trecerii pasagerilor i sensul lor de deplasare prin senzori de tip
prag;
vagonului;
• determinarea poziiei vagonului pe toat lungimea traseului cu sistemul GPS;
• prelucrarea datelor cu un calculator instalat pe vagon;
• memorarea informaiei astfel ahiziionate prin cartele de memorie
semiconductoare interschimbabile care sunt ridicate lunar în timpul operaiilor
de mentenan a vagonului.
Prelucrarea informaiei de pe cartela de memorie este realizat prin PC,
generându-se statistici, grafice, tabele i baza de date pentru compartimentele
de marketing, planificare i vânzare de bilete din cadrul reelei de ci ferate
beneficiar a sistemului.
Anten GPS
Calculator Memorie LSI Senzor de tip prag Magistral de date spre vagonul urmtor Fig. 3.1 Structura sistemului de numrare a pasagerilor dintr-un vagon.
3.3 Comandarea automat a instalaiei de iluminat
Iluminatul în vagoanele de cltori este bazat pe lmpi fluorescente,
alimentate prin invertoare individuale [36]. Soluia bazat pe un invertor central
a fost abandonat fiind mai puin eficient din punct de vedere energetic i mai
puin fiabil. Invertoarele individuale funcioneaz la frecvene mai mari de 20
kHz i trebuie s poat suporta variaii mari ale tensiunii de alimentare (18 - 33
V) corespunztoare situaiilor extreme de încrcare a bateriei. Este necesar i
stabilizarea consumului de energie, pentru ca iluminarea s nu varieze cu
tensiunea de alimentare. O situaie critic apare când invertoarele sunt
12s 123p Unitate GPS
Unitate de numrare Multiplexor
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 15
alimentate direct de la convertoarele de încrcare a bateriei, cu bateria
deconectat, datorit componentei de joas frecven, care poate afecta
transformatorul invertorului.
Un astfel de invertor, brevetat de autorul acestui referat a fost aplicat de
SC Astra Vagoane Arad pe un lot de aproximativ 500 de vagoane de export
(Sry-Lanka), în condiii de funcionare extrem de vitrege (temperaturi de 700C,
tensiune de alimentare 70 - 150 Vcc) în care alte produse similare (Elektrabahn -
BRD, Stone -UK) nu au rezistat. Invertorul are un singur tranzistor, energia
debitat sarcinii fiind controlabil prin factorul de umplere a impulsurilor. În
creterea fiabilitii un rol esenial îl are controlul activ al energiei consumate,
pentru stabilizarea consumului invertorului fa de variaile tensiunii de
alimentare utilizându-se un circuit de variaie a factorului de umplere a
impulsurilor. Comandarea tranzistorului de putere (BU 526) se poate face atât
cu timerul βE555 ca i în schema prezentat în figura 3.2 cât i cu circuite
CMOS.
V1
V2
C1
R1
R2
De obicei comandarea iluminatului în vagoanele de cltori se face
manual, de ctre personalul de deservire a trenului, fie pentru fiecare vagon în
parte, fie prin telecomand pentru tot trenul. Pentru înlturarea dezavantajelor
comenzii manuale au fost propuse diferite metode de automatizare, cu scopul
de a garanta în orice moment un nivel de iluminare optim în compartimente, cu
un consum minim de energie. Astfel se poate porni automat iluminatul în cazul
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 16
intrrii în tuneluri sau la apusul soarelui. O metod original brevetat de autor,
este prezentat în continuare [34].
Metoda se bazeaz pe msurarea luminii ambiante cu dou
fototraductoare plasate pe pereii laterali ai vagonului. Prin însumarea
ponderat a celor dou semnale obinute rezult o msur a iluminrii naturale
a compartimentului. Factorul de ponderare se obine experimental i depinde de
construcia vagonului - de suprafeele ferestrelor exterioare i ale uii comparti-
mentului i de culorile pereilor i banchetelor. Decizia de pornire a iluminatului
electric se ia dup ce nivelul iluminatului natural scade sub un anumit prag
critic. Pentru evitarea oscilaiilor comenzii se introduce o temporizare de 2-3
secunde. În cazul ieirii din tuneluri sau al rsririi soarelui, iluminatul electric va
fi întrerupt tot dup o temporizare, de data aceasta de 20-30 secunde. Pentru
evitarea opririi iluminatului electric în gri în timpul nopii, cu ajutorul unui filtru
trece band de 100 Hz, se caut în semnalul sum prezena componenetei
provenite din redresarea frecvenei de 50 Hz care caracterizeaz iluminatul
artificial. În cazul detectrii respectivei componente, oprirea iluminatului electric
va fi inhibat.
3.4 Automatizri în vagoanele automotoare
Cele mai complexe instalaii de comand se întâlnesc la vagoanele auto-
motoare, care înglobeaz i funcii proprii locomotivelor [10, [11], [13].
Spre exemplu, trenul electric regional danez IR4 [10] are o schem de
traciune care include dou convertizoare aferente celor dou motoare trifazate
i un invertor pentru generarea unui sistem trifazat de 380V/ 50Hz necesar
Bloc de generare
Foto- traduc-
tor 2
Foto- traduc-
tor 1
Amplificator 1
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 17
pentru pentru iluminare i ventilaie. Pe lâng frânele pneumatice, pe cele trei
boghiuri nemotoare sunt instalate frâne electromagnetice, iar boghiurile
motoare dispun de frâne pneumatice cu saboi i de frânare electric
recuperativ.
Comanda trenului este în întregime informatizat. Fiecare ram este do-
tat cu dou calculatoare lucrând în redundan activ, pentru comanda cen-
tral i supervizarea instalaiei. Aceste calculatoare sunt conectate cu altele,
distribuite în instalaie, care rezolv la nivel local problemele de conducere a
trenului: comunicarea cu mecanicul, frânarea, condiionarea aerului, prioritile
energetice, comandarea uilor, etc. Echipamentul include un modul de
conducere automat a trenului i o “cutie neagr” pentru înregistrarea
evenimentelor în caz de accident. Postul de conducere este dotat cu un display
care ofer conductorului toate informaiile referitoare la condiia tehnic a
trenului. În caz de defeciune se ofer i informaii despre aciunile ce trebuiesc
întreprinse i modul de remediere.
Un alt vagon din aceast categorie este InterCity-ul norvegian [11].
Funciile sale de comand sunt descentralizate, echipamentele, bazate pe
microprocesoare, fiind plasate în apropierea elementelor comandate. O reea
de cabluri din fibre optice (de 1 Mbit/sec.) conecteaz toate microprocesoarele
la o magistral de date de tip ABB Micas-S2. Nivelul ierarhic superior const
dintr-o magistral de date a trenului care permite transmisia semnalelor i
datelor între toate vagoanele cu o rat de 9,5 kbii / sec. O unitate central
organizeaz traficul din aceast reea. Accesul la acest flux de date permite
implementarea unui sistem sofisticat de diagnoz. Postul de conducere dispune
de un display care indic starea exact a trenului, anticipeaz strile viitoare,
indic eventualele defeciuni i modul de remediere a lor. Procesorul de
diagnosticare stocheaz totodat datele necesare analizrii ulterioare, în
laborator, a comportrii trenului.
3.5 Telecomunicaii prin satelit
Faciliti deosebite pot fi oferite cltorilor prin sistemele de telecomuni-
caii prin satelit [14]. Un astfel de sistem este Imarsat (the international mobile
satellite organisation), fondat în 1979 la Londra. El dispune de o reea de 4
satelii geostaionari de comunicaii, destinat în primul rând comunicaiilor
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 18
navale dar i transporturilor aeriene i terestre. Primul sistem, Imarsat-A, sus-
ine linii dublu sens de înalt calitate de telefon, telex, faximil, pot electronic
i transmisiuni de date având 23000 de utilizatori în toat lumea. Imarsat-B este
versiunea sa digital, introdus în 1993. În continuare a fost lansat Imarsat-C,
care dispune de toate dotrile imaginabile astzi, inclusiv prelucrri de date,
memorri de mesaje, determinarea precis a poziiei sau sisteme de alarm.
Exist 11 000 de terminale în legtur cu Inmarsat-C, aplicaiile fiind din dome-
nii ca: transporturi feroviare, rutiere, aeriene i navale, cercetarea tiinific, jur-
nalistic, medicin, etc. Tot în 1993 a fost introdus i Inmarsat-M ce ofer toate
serviciile de telefonie digital, fax i transmisiuni de date în condiii mai econo-
mice, cu scderea gabaritului i consumului aparaturii.
Pentru vehicolele de cale ferat sistemele Inmarsat-C i M asigur
comunicaia cu centrele de comand sau cu diferite puncte de pe traseu, fr a
fi necesar dezvoltarea unei infrastructuri. Se întâlnesc urmtoarele aplicaii:
• transmiterea de texte, în ambele sensuri, între cabina de conducere a
trenului i centrul de comand;
• monitorizarea poziiei trenului la intervale de timp prestabilite sau la
comand, prin GPS (global positioning system);
• telefonie i fax.
3.6 Supravegherea video
Supravegherea video are ca principal scop creterea siguranei în
exploatare. Se poate aplica atât în cadrul vagonului, cât i în zonele
periculoase ale traseelor, cum ar fi tunelurile i peroanele grilor [15].
Elementele din care sunt constituite reelele video sunt:
• camerele TV, color sau alb-negru, fixe sau mobile;
• comutatoare video matriciale, prin care se poate face o selecie între semna-
lele disponibile; ele sunt necesare i la emisie i la recepie, în centrul de co-
mand;
• generatoare de text, prin care se pot aduga texte imaginilor;
• sistemul de transmisie a semnaleleor video;
• monitoarele din centrul de comand.
3.7 Utilizarea fibrelor optice
Transmiterea semnalelor prin fibre optice a devenit comercial în
domeniul vagoanelor începând din anii ‘80, la început prin fibrele multimodale
apoi prin fibrele unimodale, mai subiri i cu o band de frecvene mai larg
[15]. Avantajele fibrelor optice sunt binecunoscute:
• imunitatea la parazii;
coroziunii;
• band de frecvene extrem de larg. Ele au început s se aplice atât în cazul transmiterii semnalelor TV cât i
pentru conectarea echipamentelor din vagon.
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 20
Capitolul 4. Modelarea unei instalaii de frânare
4.1 Modelarea frânrii vagoanelor
O component a instalaie vagonului de cltori care necesit o reglare
de foarte bun calitate este dispozitivul antiblocator al frânei. Din punct de
vedere constructiv frânele pot fi cu saboi, cu disc, sau de tip patin, acionând
direct pe in [22]. În figur sunt prezentate principiile constructive ale frânelor,
precum i modul de aplicare a forelor de frânare Ff. Fora de frânare poate fi de
natur pneumatic sau electromagnetic. Soluia clasic în domeniu o
reprezint frânele pneumatice cu saboi, utilizabile la trenuri cu viteza maxim
mai mic de 160 km/h. Pentru viteze mai mari de 160 km/h se utilizeaz frâne
disc suplimentate cu frâne electromagnetice de tip patin. Aceast suplimentare
este impus de scderea aderenei care se produce o dat cu creterea vitezei.
În cazul vagonului CORAIL frâna disc este acionat pneumatic iar frâna de
in este poziionat pneumatic i acionat electric [26].
saboi de frân frân de in tip patin disc de frân
Ff
Ff
Figura 4.1 Principiile de frânare a vagoanelor
Când fora aplicat saboilor sau discurilor de frân este prea mare sau
când aderena dintre roat i in scade din cauza umezelii, poleiului, murdriei
sau uleiurilor, roile îi pierd aderena la in. Apare astfel o alunecare, care în
final se soldeaz cu blocarea total a roilor i patinarea lor pe ine. Patinarea
cauzeaz uzuri majore ale roilor i ale inelor, iar distanele de frânare cresc
[4]. Pentru o frânare optim, evitând blocarea, fora de frecare Ff aplicat osiei
(la nivelul periferiei roii) trebuie s fie cel mult egal cu fora de reacie a inei
asupra roii la limita aderenei Ra. Înlocuind expresiile acestor fore, rezult
egalitatea µ Ff max = f Q , unde µ este coeficientul de frecare dintre sabot i
roat sau dintre disc i garniturile de frânare, f coeficientul de frecare roat-in,
Ff max fora maxim de frânare care nu provoac alunecarea, iar Q sarcina pe
roat [4].
Pentru aprecierea aderenei disponibile se poate introduce coeficientul:
Ff max f τ = = exprimabil i în procente. (4.1) Q µ
Frânele pot exploata doar o parte a aderenei disponibile, fiind imposibil
meninerea constant a forei de frânare maxim pe toat durata frânrii. Se poate defini un astfel de coeficient pentru întregul vagon, dar în reali-
tate, pentru o cât mai bun utilizare a aderenei disponibile, comandarea
frânelor trebuie fcut îndependent, pentru fiecare osie parte, sau cel puin
pentru fiecare boghiu în parte. Aceast cerin rezult din fenomenul de
“cabrare” a vagoanelor la frânrile puternice, prin care atât boghiurile anterioare
cât i chiar osiile anterioare de pe fiecare boghiu sunt supraîncrcate fa de
cele posterioare.
În ipoteza c toate osiile sunt identice (neglijarea cabrrii vagonului) i
nici una dintre ele nu patineaz, se poate stabili ecuaia evoluiei vitezei pentru
întregul vagon având un numr de i osii, viteza vagonului VT fiind identic cu a
osiei:
dVT (M + m) • = F + Ri (4.2) dt Ii folosindu-se notaia m = Σ cu Ii momentul de inerie i ri raza roii i. ri
2
M este masa vagonului, F suma forelor de frânare iar Ri este rezistena
la înaintare a vagonului, de obicei neglijabil [4].
Ecuaia care guverneaz comportarea osiei în timpul blocrii este:
I dV Ra = Ff - • (4.3) r2 dt
unde r este raza roii, I momentul de inerie al roii, iar V viteza circumferinei
roii [22]. Termenul datorat ineriei poate avea în cazul blocrii roii valori mari,
de exemplu dou treimi din efortul maxim de frânare.
Când se întrerupe aciunea forei de frânare ineria vehiculului produce
prin interaciunea roat-in accelerarea roii înspre viteza vagonului.
I dV Ra = • (4.4) r2 dt
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 22
Aa cum s-a vzut, aderena disponibil este τ = Fmax /Q , sau, inând
seama i de efectul ineriei roii, τ = Ra /Q.
1 dVT Se utilizeaz des i varianta aproximativ: τ ≅ • (4.5) g dt cu g = acceleraia gravitaional. Ff I dVT Pentru o osie care nu patineaz, τ = - • (4.6) Q Q • r2 dt Din cele de mai sus reiese comportarea nelinear a roii fa de fora de
frânare, existând cel puin trei regimuri de funcionare distincte. La aceasta se
adaug variaia în timp a tuturor parametrilor: coeficientul de frecare roat in f
din cauza factorilor de mediu, încrcarea pe osie din cauza variaei încrcrii
vagonului, a distribuirii ei i a cabrrilor, etc.
Problema aderenei roat in este extrem de complex, fiind implicai
factori greu de stpânit cum ar fi masa vagonului, geometria i starea suprafe-
elor roilor i a inei, poluarea, umiditatea, viteza, dimensiunile petei de contact,
etc. În urma studierii acestor fenomene s-a constatat c aderena nu dispare
odat cu apariia alunecrii dintre roat i in [4]. Dimpotriv, datorit “polizrii”
exercitate de roi asupra inelor în timpul alunecrii, aderena se va îmbunti.
Variaia aderenei cu alunecarea roii este reprezentat grafic prin curbele
aderen-alunecare. O astfel de dependen este reprezentat în figura
urmtoare.
Alunecarea relativ dintre roat i in este definit ca:
W ν = unde W = V - VT viteza absolut de alunecare. VT
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 23
τ
νA νB νoptim
Figura 4.2 Curb aderen - alunecare.
În momentul aplicrii forei de frânare aderena trece printr-un maxim α
foarte ascuit, pentru o alunecare foarte redus νA de cca. 1%. Aceast alune-
care este de fapt o pseudo-alunecare, datorat elasticitii roii i a inei în zona
petei de contact roat-in. Meninând frânarea apare o scdere a aderenei,
pân la alunecarea νB . În continuare se produce în urma unui fenomen
insuficient explicat înc, o cretere a aderenei disponibile pân la valoarea µm,
corespunztoare unei alunecri optime νoptim . Acest regim se bucur de o oare-
care stabilitate, putând fi meninut printr-un control activ al forei de frânare.
Crescând în continuare alunecarea, aderena scade rapid pân la blocarea roii.
La întreruperea aciunii forei de frânare roata îi va restabili aderena la in, în
condiiile unei aderene superioare celei din timpul frânrii i fr a mai trece
prin pseudo-alunecare.
Curba din figura 4.2 este influenat de coeficientul de frecare roat-in
[4].
τ
Fig. 4.3 Influena coeficientului de frecare roat-in asupra curbei τ(ν)
Pstrarea aderenei în zona alunecrii zero nu este indicat, deoarece
ieirea din acest regim se face brusc, ceea ce ar putea produce ocuri. În
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 24
schimb este indicat meninerea osiei în zona alunecrii optime, între νB i
νoptim. νoptim are valori cuprinse între 10-25 % din VT, prezentând variaii cu
viteza vagonului i sarcina pe osie. Ea scade cu creterea vitezei vagonului i
cu scderea sarcinii pe osie.
4.2 Frâne ABS
Pentru utilizarea optim a aderenei roat-in i evitarea blocrii roilor
fiecare osie trebuie dotat cu câte un dispozitiv antiblocator (ABS), comandat
electronic, care are rolul de a reduce cât mai rapid fora de frecare în cazul apa-
riiei blocrii [5]. Acest dispozitiv va avea ca mrime de intrare turaia osiei iar
ca mrime de ieire fora de frânare. Exist dou generaii de dispozitive
antiblocatoare. Dispozitivele mecanice sau cele electronice extrem de simple se
caracterizeaz printr-o acionare de tipul “totul sau nimic”. La sesizarea apariiei
alunecrii se întrerupe aplicarea forei de frânare, iar dup restabilirea aderenei
se reîncepe frânarea. Ele se caracterizeaz printr-o slab utilizare a aderenei
disponibile, un consum mare de aer comprimat, zgomote i uzuri ale compo-
nentelor. Generaia a doua prezint performane mult mai bune, obinute prin
urmrirea alunecri optime între roat i in.
Pentru a putea regla fora de frânare este necesar cunoaterea perma-
nent a vitezei reale a vagonului. Traductoarele care urmresc turaia osiei tre-
buie s reziste unor condiii de funcionare extrem de vitrege (ocuri de pân la
10 g, temperaturi extreme) singurele modele viabile fiind senzorii inductivi de
proximitate (dispui în apropierea unei roi polare montate pe capul osiei) fie,
aprute mai recent, traductoarele optice incrementale.
În cazul apariiei alunecrii, traductoarele de turaie nu mai indic viteza
real a vagonului. Viteza vagonului trebuie totui cunoscut, pentru calcularea
alunecrii. Aceast valoare de referin este în general asimilat cu cea mai
mare dintre vitezele celor patru osii ale vagonului. Principala dificultate apare
când toate osiile au pierdut aderena, situaie în care referina de vitez trebuie
reconstituit pe cale electronic. Pentru reconstituirea vitezei de referin
fiecare constructor utilizeaz metode proprii, informaiile comunicate de
productori fiind srace.
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 25
• frânarea mai redus a uneia dintre osii, care va fi utilizat ca referin;
aceast metod este recomandabil îndeosebi când trenul dispune de o reea
informaional, caz în care numai una dintre osiile trenului este mai puin frâ-
nat;
• atribuirea ca valoare de referin a vitezei ultimei osii care a început s pati-
neze.
Dup începerea patinrii ultimei osii, referina poate fi calculat prin ecu-
aia:
t Vref(t) = V(t0) - ξdt∫ unde ζ este deceleraia osiei [24]. (4.7) t0 Când, dup restabilirea aderenei, cel puin una dintre osii atinge o vitez
care depete valoarea calculat, referina va fi indexat la valoarea
respectiv. Criteriile de reglare pornesc de regul de la [6]:
• V, diferena dintre viteza de referin i viteza osiei;
• deceleraia osiei, ζ;
• derivata deceleraiei osiei. dζ / dt.
Criteriul V are rolul de a aduce alunecarea în apropierea optimului, în
timp ce criteriul ζ asigur stabilizarea reglrii prin compensarea rapid a
perturbaiilor. Criteriul dζ / dt, introdus de firma Faively prin antiblocatorul AEF
83P, confer un plus de stabilitate reglrii. Pentru elaborarea tensiunii de
comand este necesar i msurarea presiunii în cilindrii de frân. Este
recomandabil de asemenea introducerea unor corecii ale uzurii roilor, pentru
creterea preciziei.
Esenial în funcionarea dispozitivului ABS este elementul de execuie în
cazul acionrii pneumatice viteza de rspuns a electrovalvelor fiind critic. Se
utilizeaz electrovalve cu aciune continu, la care comenzile automate vor
provoca fie umplerea, fie golirea, fie meninerea constant a presiunii în cilindrii,
obligând osia s rmân în domeniul alunecrii optime. Un astfel de dispozitiv
este ventilul antipatinaj GV12 (Knorr) care echipeaz vagonul CORAIL [16].
Schema sa pneumatic conine dou electroventile, pentru evacuarea i pentru
oprirea aerului (VE respectiv VB). Vitezele de golire i de umplere ale cilindrilor
de frân sunt ajustate prin diuze, pentru o adaptare bun la dinamica osiilor.
Funcionarea acestui ventil poate fi reprezentat prin organigrama urmtoare.
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 26
DA NU DA NU DA NU
Fig. 4.3 Organigrama funcionrii ventilului antipatinaj GV12.
Modul cel mai potrivit de conducere a dispozitivului de antipatinare este
fie cu ajutorul unui calculator de proces, printr-un algoritm bazat pe instruciuni
de tipul “IF ... THEN”, fie prin controlere proiectate special în acest scop.
4.3 Înclzirea frânelor
Cldura dezvoltat în elementele de friciune ale frânei disc, la frânri
puternice de la viteze mari, poate pune în pericol aceste elemente.
Temperatura la care se ajunge dup o frânare de oprire având durata tf a fost
evaluat înc din perioada anilor 1950, una din variante fiind propus de H.
Hasselgruber:
8 • tf Tmax = • fm • q [oC] (4.8) 9 • π • ρd • cd • λd
unde ρ [kg/m3] este densitatea materialului, λ [W/m•0C] coeficientul de
conductivitate termic iar c [J/kg•0C] cldura specific. Tmax = Tamb+T, unde
Tamb este temperatura ambiant (considerat 200C) iar T supraînclzirea
produs de frânare. Temperatura maxim se atinge la jumtatea frânrii (tf /2).
Factorul fm ine seama de distribuia cldurii pe garnitur i pe disc, iar q este
fluxul termic la începutul frânrii:
VB⇒ 1 & VE⇒ 1 Cilindrul de frân se golete
VB⇒ 0 & VE⇒ 0 Cilindrul de frân se umple
VB⇒ 1 & VE⇒ 0 Cilindrul de frân rmâne
blocat
Ff trebuie s creasc
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 27
ρg • cg • λg 0,1891425 • (1 + ρ) • Qd • v2 fm = 2 / (1 + ); q = [W/m2]. ρd • cd • λd g • Sd • tf
unde Qd este cota parte din sarcina pe osie care revine unui disc [N], Sd su-
prafaa de frecare a discului de frân [m2], viteza iniial iar g acceleraia gra-
vitaional.
În tabelul urmtor [24] se redau temperaturile maxime calculate pentru o
situaie defavorabil - o frânare foarte scurt tf=30 sec.- în cazul unui disc din
oel aliat 30MoCrNi20 cu ρd=7840 kg/m3, cd=465 J/kg i λd=49,8 W/m•0C. Gar-
nitura are parametrii: ρg=1900 kg/m3, cg=1360,77 J/kg i λg=0,587315 W/m•0C.
Viteza [km/h]
100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Tmax Q=10000daN 89 108 128 151 175 200 228 257 289 322 357
[0C] Q=20000daN 178 216 257 301 350 401 456 515 578 644 713
Pentru evitarea supraînclzirilor este posibil ca dup prima perioad de
frânare, în momentul în care înclzirea devine periculoas, s se limiteze fora
de frânare pe disc, putându-se eventual apela pentru completarea efortului de
frânare la frâna tip patin, care la viteze mici este mai puin solicitat. Tem-
peratura discurilor ar putea fi msurat cu traductoare fr contact bazate pe
radiaia infraroie sau calculat cu ajutorul calculatorului de proces care
conduce frânarea, cunoscut fiind evoluia în timp a forei de frânare.
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 28
4.4 O comparaie cu sistemele de frânare de pe autovehicule Frânele vehicolelor rutiere de mare capacitatate sunt asemntoare cu
frânele vagoanelor de cltori. O realizare marcant în domeniu o constituie
controlarea distribuiei forelor de frânare între cele patru roi în funcie de
solicitrile lor dinamice, ceea ce asigur o îmbuntire a stabilitii vehicolului
la frânrile în condiii grele (frânare total, aderen sczut, curbe accentuate).
Acest sistem de frânare conceput i testat de Nissan Diesel Motor Co. Ltd.
presupune modificarea camioanelor de serie prin adugarea unui senzor al
poziiei pedalei de frân i a dou accelerometre pentru msurarea accelerai-
ilor longitudinale i laterale ale vehicolului. Presiunile din cilindrii pneumatici de
frân ai fiecrei roi sunt msurate i reglate prin dispozitive modulatoare de
presiune. Se monteaz de asemenea i senzori pentru determinarea încrcrii
fiecrei roi [17]. Hardware-ul a fost realizat cu ajutorul sistemului HILS (Har-
dware In the Loop Simulation).
Poziia pedalei
de frân θ Încrcarea static a roilor Q1,Q2,Q3,Q4 Ff Acceleraia lateral Gy Acceleraia longitudinal Gx Legea de conducere nr. 2
Fig. 4.4 Schema bloc a sistemului de frânare cu distribuirea forelor
Legea de conducere nr. 1 determin fora total de frânare pornind de la
poziia pedalei de frân θ i încrcrile statice ale fiecrei roi, Q1,Q2,Q3 i Q4.
Efectul forei totale de frânare Ff , egal cu suma forelor de frânare de pe osia
anterioar Fa respectiv de pe osia posterioar Fp este dat de acceleraia:
(Fa + Fp) • g Gx = (4.9) Q1 + Q2 + Q3 + Q4
Fa i Fp depind de poziia pedalei prin funcia neliniar f(θ) i coeficienii
Ka i Kp dependeni de caracteristicile constructive ale sistemului hidraulic:
Fa = 2 • K a • f(θ) respectiv Fp = 2 • K p • f(θ)
Legea de conducere nr.1
Modelul dinamic al vehicolului
Modelul sistemului de frânare
Dispozitive de modulare a
Acceleraia longitudinal va fi:
2 (Ka + Kp) • g • f(θ) Gx = (4.10) Q1 + Q2 + Q3 + Q4
Funcia neliniar f(θ), memorat într-un tabel, e obinut experimental.
Legea de conducere nr 2 determin distribuia forelor pe fiecare roat
astfel încât s se previn blocarea neuniform a roilor. Ea se bazeaz pe
încrcarea dinamic a roilor, calculat prin considerarea micrilor de tangaj i
ruliu. Încrcrile dinamice ale celor 4 roi sunt de forma:
W1 = Ft1 + Fra W2 = Ft2 - Fra (4.11) W3 = Ft3 + Frp W4 = Ft4 - Frp
unde Ft (Gx) sunt componentele datorate tangajului iar Fra(Gy) i Frp(Gy) sunt
componentele datorate ruliului, pentru roile anterioare respectiv posterioare.
Forele de frânare efective pentru fiecare roat, conform legii 2 vor fi:
W1 F1 = • Fa W1 + W2
W2 F2 = • Fa W1 + W2 (4.12)
W3 F3 = • Fp W3 + W4
W4 F3 = • Fp W3 + W4
În urma testrilor în cazul unui camion fr sistem ABS a rezultat o cre-
tere relevant a forelor de frânare de la care apare blocarea roilor [17]:
unghiul pedalei de la care se blocheaz roile [%] pentru roile anterioare pentru roile posterioare fr legea nr.2 56 56 cu legea nr.2 74 82
Prin aplicarea metodei descrise în cazul vagoanelor, sunt de prevzut
îmbuntirea stabilitii vagonului, precum i o utilizare mai eficient a presiunii
de aer disponibile.
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 30
Capitolul 5. Modelarea unui sistem de condiionare a aerului în vagoanele de cltori
5.1 Condiii de confort Senzaia de confort este subiectiv i depinde de factorii de mediu
(temperatura, viteza, umiditatea aerului i radiaia de cldur) dar i de tempe-
ratura i natura pardoselii, de gradientul de temperatur pe înlimea încperi-
lor, de senzaia de prospeime a aerului provocat de valorile i variaile facto-
rilor de mediu, de cantitatea de ioni din aer, de felul îmbrcminii, de activitatea
muscular i nutriie, de vârst, sex, constituia general a corpului, aclimati-
zare, etc. [27], [28].
La proiectarea instalaiilor de aer condiionat din vagoanele de cltori se
ine cont mai ales de factorii care au aciune mai general: temperatura, viteza
i umiditatea aerului, concentraia de bioxid de carbon i de senzaia de
prospeime a atmosferei. Un aspect important este ridicat i de resursele ener-
getice limitate ale vagonului, economia de energie fiind o condiie esenial.
Factorul hotrâtor al senzaiei de confort este temperatura. Confortul ter-
mic se realizeaz când omul se gsete în echilibru termic cu mediul ambiant
fr a depune efort pentru aceasta, prin efort înelegându-se transpiraia, tre-
muratul sau alte manifestri fiziologice care in de neadaptarea organismului la
temperatur. În condiii în care ceilali factori ai senzaiei de confort au valori
corespunztoare, în cazul vagoanelor de cltori, la care solicitrile fizice ale
pasagerilor sunt absente, temperatura ideal se consider între 20 - 24,50C.
Este indicat ca aerul s fie mai cald la nivelul pardoselii, trebuind s se
rceasc spre tavan. Diferena de temperatur dintre aerul de la nivelul capului
i al picioarelor nu trebuie s fie mai mare de 2,50C. Este necesar ca viteza
aerului s fie suficient de mare pentru a se evita senzaia de înbuire proprie
unei atmosfere stagnante. În acelai timp trebuiesc evitai i curenii prea
puternici de aer. Pentru temperaturi apropiate de 180C, se consider c viteza
curentului de aer trebuie s fie cuprins între 0,075 m/s i 0,2 m/s. Viteza
admisibil crete cu temperatura, astfel c la 300C senzaia de curent neplcut
începe abia de la 0,6 m/s.
Un alt factor de confort este umiditatea. Oamenii sesizeaz mai repede
variaile temperaturii decât pe cele ale umiditii, motiv pentru care umiditatea
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 31
relativ de confort acoper o zon larg, de la 30 la 70%. Efectul umiditii
crete cu temperatura, astfel c aerul saturat de umezeal la 32,50C produce
aceeai senzaie ca i aerul uscat la 400C. Având în vedere c oamenii sunt ei
înii surse de vapori de ap, în vagoane se pune mai degrab problema elimi-
nrii exesului de umiditate, decât cea a umidificrii artificiale a atmosferei.
Aceast problem se rezolv în cea mai mare parte prin sistemul de ventilare
descris la punctul 5.4.
Din punct de vedere fiziologic impresia de prospeime depinde de stimu-
larea terminaiilor nervilor senzoriali din piele, obinut prin schimbri ale medi-
ului. Dac mediul nu sufer nici o schimbare se creeaz o ambian mai de-
grab de relaxare decât de înviorare, mergând pân la senzaii de aer închis,
îmbâcsit. Impresia de prospeime se obine prin imprimarea unor variaii facto-
rilor de mediu, în special asupra temperaturii. Senzaia de prospeime apare i
la variaii ale vitezei i umiditii aerului. La 190C se recomand variaii brute i
frecvente între 0,06 i 0,15 m/s, în jurul valorii medii de 0,105 m/s. O atmosfer
mai uscat tinde s fie simit ca fiind mai proaspt, iar una mai umed, mai
îmbâcsit.
5.2 Diagrame de confort
Umiditatea [%] 70 60 50 40 30 15 20 25 30 35 Temperatura [0C] Figura 5.1 Diagrama de confort din UIC 553.
Datorit diversitii fac-
simpl de reprezentare a
combinaiilor optime de para-
zentri grafice, aa numitele
zaie de confort predetermi-
nat corespunde unei zone,
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 32
5.3 Degajri nocive în aer Fa de compoziia normal atmosferic, în spaiile în care respir
oameni se degaj substane care reduc calitatea aerului, creaz senzaii de
inconfort sau pot chiar periclita sntatea oamenilor [27]. Un adult degaj, în
repaus, 45 g/h vapori de ap la 200C sau 55 g/h la 250C, respectiv în cazul unui
efort uor, 70 g/h la 200C sau 110 g/h la 250C. Cantitatea de CO2 degajat este
de 23 l/h (35 g/h). Organismul degaj i cldur, aproximativ 115 W în repaus i
145 W în timpul unor activiti moderate, la o temperatur a aerului de 250C.
Pentru scderea concentraiei de substane nocive din aer este esenial
ventilarea, prin care se realizeaz un schimb de aer între încpere i exterior.
5.4 Ventilarea
Prin ventilare aerul din încperi, prea rece sau prea cald, viciat cu diferite
noxe, este diluat cu aer proaspt, cu ajutorul curenilor de aer, naturali sau pro-
dui prin sisteme de ventilare mecanic. Într-un vagon climatizat trebuie s fie
asigurate concomitent introducerea aerului proaspt i evacuarea celui viciat.
În cazul degajrilor de noxe cu debitul q constant în timp, având
creterea elementar a concentraiei dC, creterea cantitii de noxe va fi [27]: V· dC = q· dt - D· C· dt (5.1) unde V [m3] este volumul încperii, c concentraia de noxe dup o perioad de
timp t, q [m3/s] debitul de noxe, D [m3/s] debitul de aer proaspt introdus, egal
cu debitul de aer viciat evacuat.
Creterea diferenial a cantitii de noxe în intervalul de timp dt este
egal cu cantitatea de noxe generat în acest interval de timp, din care se
scade cantitatea extras din încpere.
Considerând C0 concentraia iniial de noxe, ecuaia devine prin inte-
grare: c dC 1 t ∫ = · ∫ dt (5.2) c0 q - D· C V 0
În urma rezolvrii rezult: q - D· C 1 D lg = · t (5.3) q - D· C0 2,303 V
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 33
Raportul n = D/V este semnificativ pentru valoarea concentraiei. El este
denumit schimb de aer i arat de câte ori este înlocuit cu aer proaspt, într-o
or, întregul volum de aer al încperii. Valoarea la care se va stabiliza
concentraia de noxe, pentru t→∞, este q/D.
Pentru economisirea energiei, o parte din debitul de aer se poate
recircula, introducându-se o cantitate mai redus de aer proaspt. Schimbul de
aer n se va înlocui cu (1 - u)· n , unde u arat proporia aerului recirculat fa de
aerul total vehiculat. Coeficientul u poate varia în funcie, de exemplu, de
temperatura exterioar, dar este obligatoriu ca s se pstreze un debit de cel
puin 10 % de aer proaspt.
Concentraia de CO2 din aerul standard fiind de 0,03 % vol, nu este per-
mis depirea concentraiei de 0,06 % vol.
Notând debitul recirculat Du, debitul de aer proaspt cu Dp i debitul total
vehiculat Dt = Du + Dp , conform definiiilor date: Du Dt u = i n = Dt V iar mrimea care caracterizeaz efectul pur de ventilare are forma Dp / V.
Exist dou metode clasice de calcul al debitelor de aer [27]:
a) Metoda concentraiei admisibile, presupune cunoaterea debitului de
degajare a noxelor. Când în încpere se degaj mai multe noxe simultan,
debitul de aer pentru ventilarea general se detrmin prin însumarea debitelor
necesare pentru diluarea fiecrei noxe în parte: D = Q1 / ca1 + Q2 / ca2 + ... + Qn / can (5.4) Q fiind debitele de degajare a noxelor iar ca fiind concentraiile maxime
admisibile.
b) Metoda schimbului de aer, mai empiric, indic prin tabele obinute experi-
mental numrul de schimburi de aer recomandabil în diferite situaii. Astfel
pentru vagoanele de cale ferat se recomand 25 de schimburi de aer proaspt
pe or.
În vagoane sursa principal de noxe o reprezint chiar cltorii, a cror
numr este variabil. Cantitatea de bioxid de carbon, ap i alte noxe eliminate
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 34
de fiecare cltor variaz cu greutatea, stare fiziologic, etc. Din aceste motive
în cazul vagonului se poate aplica numai metoda schimbului de aer.
În tabel se prezint unele date orientative referitoare la numrul de
schimburi de aer proaspt necesare pentru înlturarea mirosului corpurilor,
oxigenare i reducerea concentraiei de bioxid de carbon pentru aduli, în cazul
copiilor valorile nefiind mult diferite:
Spaiul de aer [m3/persoan] Debitul de aer proaspt [vol./h] 2 5
10
5.5 Calculul puterii maxime a instalaiei de climatizare
Având în vedere c factorul principal de care depinde confortul este tem-
peratura, principala sarcin a instalaiei de climatizare va fi reglarea tempera-
turii, motiv pentru care în proiectarea instalaiei este esenial stabilirea bilan-
ului energetic.
În cazul vagonului vor trebui luate în considerare sursele de cldur,
respectiv aerul proaspt, cltorii, echipamentul electric, precum i influena
elementelor constructive: ferestre la soare i la umbr, perei laterali la soare i
la umbr, tavan i podele, fiecare cu câte un coeficient de transmitere a cldurii.
Relaiile utilizate sunt în mare parte empirice, fie analitice fie grafice, rezultatele
obinute nefiind foarte precise. Aceast caracteristic a calculelor din acest
domeniu este explicabil prin complexitatea constructiv a vagoanelor i
variabilitatea extrem a parametrilor, la care se adaug i factorii climatici. Toc-
mai din aceast cauz calculele din literatur au ca principal scop furnizarea
capacitii maxime de înclzire respectiv de rcire de care trebuie s dispun
instalaia, aspectele referitoare la reglarea automat a parametrilor fiind mai
greu de precizat.
Pentru exemplificare se redau rezultatele obinute de Institutul de Cerce-
tare i Proiectare pentru Vagoane din Arad, pentru acelai tip de vagon ne-
compartimentat, prin aplicarea metodei Toshiba (variantele 1978 i 1983) de
calcul a instalaiilor de climatizare [30].
S-a luat în considerare situaia ce mai defavorabil, pentru care agre-
gatul de rcire poate realiza temperatura impus de 220C în vagon.
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 35
♦ Condiii de mediu:
- temperatura exterioar: 33,250C;
- temperatura interioar: 220C;
♦ Condiii de calcul:
- numr de pasageri: 58;
- dimensiunile spaiului climatizat: lungime -16 m, lime -2,99 m, înlime
-2,3 m, numr de geamuri -10, dimensiunile geamurilor: 1,5 x 0,6 m2.
♦ Surse de cldur în kcal / h:
Subansamblu Suprafa [m2] Metoda 1978 Metoda 1983
Tavan 47,84 1769 1289
Planeu 47,84 1633 754
Perete lateral In soare 27,80 1303 750
Perete lateral în umbr 27,80 470 313
Perei frontali 2 x 6,87 232 217
TOTAL 5975 3597
- cldura degajat de echipamentele electrice: 2000 kcal / h;
Pentru cldura primit prin aerul din exterior exist dou variante:
Metoda 1978 Metoda 1983
Cldura primit prin aerul proaspt 13681 13080
Debitul maxim de cldur pe care instalaia trebuie s îl poat extrage
din vagon rezult în final de 27095 kcal / h dup metoda 1978 respectiv de
24709 kcal / h dup metoda 1983. Exprimând aceleai valori în uniti SI, au
rezultat 31511,5 W dup metoda 1978 respectiv de 28736,5 W dup metoda
1983. Se poate reine valoarea rotund de 30 kW. În cazul înclzirii aceast
putere se poate suplimenta, pentru a se face fa temperaturilor foarte sczute
la care se poate ajunge (vagonul CORAIL dispune de 38 KW).
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 36
5.6 Modelarea comportrii termodinamice a vagonului necompartimentat
În continuare se va stabili ecuaia care guverneaz comportarea termodi-
namic a vagonului necompartimentat, inându-se cont de influena aerului
proaspt, a numrului de cltori, a echipamentelor care disip energie i a
radiaiei calorice a elementelor constructive. Influena elementelor constructive
se va simplifica prin adoptarea unei valori medii a coeficientului de transfer
termic. Nu s-au luat în considerare timpul mort de câteva secunde, datorat
trecerii aerului prin conducta care face legtura între agregatele de înclzire i
de rcire i spaiul util al vagonului.
Vom reine pentru model urmtoarele mrimi:
♦ Fluxul de cldur emis de suprafaa vagonului, calculat prin relaia:
q’S = α‘· S · (θe - θi) [kcal / h] (5.5)
unde: - S este suprafaa radiant [m2], θe temperatura exterioar [0C], θi
temperatura din vagon [0C], α‘ coeficientul mediu de transfer termic [kcal / m2 ·
h · K].
În cazul vagonului ales, întrucât suprafaa total este S = 183 m2, rezult:
3597 α‘ = = 1,747 kcal / m2 · h · K sau, în uniti SI 183 · 11,25
α = 2,032 W / m2· K.
Exprimând fluxul de cldur în uniti SI, rezult:
qS = α· S · (θe - θi) [W]. (5.6)
♦ Cldura introdus prin aerul exterior, în cazul neglijrii efectelor pro-
duse de diferenele de umiditate dintre exterior i interior este:
qA = Dp· ca· ρ· (θe - θi) [W] (5.7) unde: - ca este cldura specific a aerului, ca = 1000 J / kg· K;
- ρ = densitatea aerului, 1,293 kg / m3;
- Dp este debitul de aer proaspt introdus în încpere [m3/s], funcie de
debitul total ventilat i gradul de recirculare: Dp = (1 - u)· Dt.
La stabilirea debitului de aer vehiculat se pornete de la necesitatea de a
asigura minim 25 de schimburi / or. Volumul fiind V = 16 x 2,99 x 2,3 = 110 m3,
rezult un debit total de Dt = 25 x V = 2750 m3 / h = 0,764 m3 / s.
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 37
Viteza medie a curentului de aer, în ipoteza circulaiei cvaziorizontale a
curenilor de aer, rezult de 0,11 m / s, ideal din punct de vedere al confortului.
Verificând dac acest debit de aer poate s transporte cantitatea de cl-
dur rezultat din calculele ICPVA rezult c acest debit este insuficient.
Debitul necesar va fi 13080 / (0,24· 1,189· 11.5) = 4000 m3 / h = 1,111
m3/s.
Debitele utilizate în practic sunt cuprinse între 2500 ... 4000 m3 / h ceea
ce confirm valoarea maxim a debitului de 4000 m3 / h. Curentul va avea în
acest caz viteza medie de 0,16 m / s, de asemenea admisibil din punct de
vedere al confortului, corespunzând la 36 de schimburi pe or.
♦ Cldura produs de N oameni va fi un multiplu al cldurii emise de o
persoan, q’O = 100 [kcal / h] sau, în uniti SI, qO ≅ 115 W.
♦ Cldura degajat de alte echipamente este considerat constant:
qE = 5800 kcal / h sau 6745,4 W, putându-se aproxima cu 6,75 k W.
Evoluia în timp a temperaturii din interiorul vagonului se obine prin
rezolvarea ecuaiei difereniale care rezult din bilanul puterilor [31]. Aceast
ecuaie va conine termenii menionai anterior, la care se adaug puterea P(t) a
instalaiei de climatizare, cu semn - în cazul rcirii. Se consider c întregul
volum de aer al vagonului are aceeai temperatur, θi.
dθi(t) V·ρ·ca· ={[1-u(t)]·Dt(t)·ρ·ca+α·S}·[θe(t)-θi(t)]+N(t)·qo+qE(t)-P(t) (5.8) dt
Când u, Dt, θe, N i qE sunt constante, ecuaia reprezint un sistem de ordin I. În
cazul general, parametrii sistemului sunt variabili în timp. Se introduc notaiile:
1 KS = factorul de amplificare; (1 - u)· Dt· ρ· ca + α· S
TS = V· ρ· ca· KS constanta de timp. Cu aceste notaii ecuaia sistemului devine:
dθi(t) TS(t) · + θi (t) = θe(t) + KS(t)· [N(t)· qo + qE(t) - P(t)] (5.9) dt
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 38
Dependenele KS(u, Dt) i TS(u, Dt) sunt suficient de puternice pentru a
imprima sistemului un caracter neliniar puternic. În figura urmtoare este
prezentat funcia TS(u), pentru cele dou debite totale menionate anterior: Dt
= 0,764 m3 / s i Dt = 1,111 m3 / s. KS(u) este proporional cu TS(u). Constanta de timp KS [secunde]
400 350 300 250 200 150 100 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Factorul de recirculare u
Figura 5.2 Dependena KS(u), cu Dt parametru.
În cazul în care θe, Dt, u, N i P sunt constante iar temperatura iniial din
vagon este θi0, evoluia temperaturii θi va fi dat de funcia:
-t / Ts θi(t) = θe + Ks·(N·qo + qE - P) + [θi0 - θe - Ks·(·qo + qE - P)] · e (5.10)
Pentru regimul de înclzire, care este necesar când θe < 220C, ecuaia
este:
dθi(t) TS(t)· - θi (t) = KS(t)· [N(t)· qo + qE(t) + P(t)] - θe(t) (5.11) dt Timpul mort τ care caracterizeaz astfel de instalaii intervine întârziind transmiterea puterii în sistem: dθi(t)
Dt = 0,764 m3/sec.
Dt = 0,764 m3/sec.
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 39
TS(t)· - θi (t) = KS(t)· [N(t)· qo + qE(t) + P(t-τ)] - θe(t) (5.11) dt Dintre parametrii sistemului θe, N i qE sunt independeni, dar u i Dt pot
i trebuie s fie controlai de ctre sistemul de comand. Nu se întâlnesc criterii
unanim acceptate în stabilirea legii de reglare a factorului de recirculare u. De
cele mai multe ori, el se alege în funcie de temperatura exterioar, fiind cu atât
mai mare cu cât diferena dintre θi i θe este mai mare, cu scopul economisirii
energiei. În continuare vom propune o lege de reglare a factorului de recirculare
care s depind i de N. Cu cât numrul de pasageri este mai mare, este
necesar ca u s fie mai mic, pentru a se asigura o evacuare corespunztoare a
noxelor.
(5.13)
Când |θi - θe| >200C, u rmâne la valoarea recirculrii maxime, 0,9.
Valoarea minim de 0,5 i diferena de 200 C pot fi modificate în urma unor
experimentri care s valideze comportarea instalaiei în cazul unor temperaturi
exterioare mult diferite de cea din vagon.
În cazul vagoanelor compartimentate este necesar introducerea de re-
gulatoare individuale. Aceste regulatoare au rolul de a asigura în fiecare com-
partiment temperatura impus de cltori, elementele de execuie fiind în cazul
vagonului CORAIL, câte o rezisten de 600 W pentru fiecare compartiment.
Problema msurrii numrului de pasageri se poate rezolva fie direct,
prin sistemul inteligent de numrare a pasagerilor, fie indirect, prin msurarea
concentraiei de bioxid de carbon din aerul evacuat din vagon i compararea sa
cu concentraia impus.
Pentru completarea modelului, pe baza celor prezentate la pct. 5.4 se
pot scrie ecuaiile concentraiilor de bioxid de carbon i de ap, CCO2(t) i
CH2O(t):
dCCO2 V · + (1 - u)· Dt· CCO2 = N· qCO2 (5.14) dt dCH2O V · + (1 - u)· Dt· CH2O = N· qH2O (5.15) dt
u = umax - (umax - umin) • N / Nmax umax = 0,9 umin = 0,5 + min(0,4, | 0.4• (θi - θe) / 200C |)
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 40
5.7 Regulatoare utilizate la instalaiile de condiionare a aerului În funcionarea instalaiilor de condiionare a aerului intervin dou regi-
muri:
• regimurile de preînclzire sau prercire, când temperaturile exterioar sunt
foarte diferite de valorile impuse i înclzirea respectiv rcirea iniiale ale
vagonului se fac cu putere maxim; un regim asemntor apare la deschiderea
uilor în staii.
Dintre regulatoarele utilizate, clasice sunt [19]:
a) Regulatorul bipoziional cu histerezis, aplicabil atât la reglarea debitului de
aer ventilat cât i la reglarea temperaturii. În primul caz el are forma:
Dt min dac CCO2 - PO2< Hys
Dt(t) = Dt max dac CCO2 - PO2 > Hys (5.16)
staionar dac - Hys ≤ CCO2 - PO2 ≤ Hys
unde CCO2 este concentraia de bioxid de carbon, PO2 este valoara impus a
concentraiei de bioxid de carbon iar Hys este valoarea histerezei.
Acest regulator se întâlnete în special în cazul înclzirii, având în ve-
dere caracterul secvenial al majoritii instalaiilor de înclzire. Înclzirea
electric este bazat pe un set de rezistene, a cror conectare este dictat de
valoarea tensiunii din reeaua trenului (vezi pct. 2.3, pag 3). Având în vedere
curenii mari este contraindicat comutarea repetat a acestor rezistene.
b) Regulatorul PID, care în forma digital poate fi exprimat prin:
1 N -1 E(t) - E(t-t) Dt(t) = Kp • { E(t) + • Σ E(i • t) • t + Td • } (5.17) Ti i =0 t
unde E = CCO2 - PO2 este eroarea concentraiei de bioxid de carbon, t este
perioada de eantionare, Kp constanta de amplificare, Ti constanta de timp de
integrare iar Td constanta de timp de derivare.
În multe situaii este suficient utilizarea regulatorului PI.
În 1992 GJ Levermore (Building Energy Management Systems: An appli-
cation to Heating and Control, E&FN SPON London) introduce o combinaie a
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 41
celor dou regulatoare clasice, care are avantajul de a reduce micile oscilaii din
jurul valorii reglate:
c) Regulatorul PI cu zon de insensibilitate (PIdb). În acest caz eroarea E va fi
înlocuit cu o eroare efectiv E*:
0 dac E≤ B
E +B dac E < - B
B fiind limea zonei de insensibilitate.
Din modelul matematic al condiionrii aerului intr-o incint reiese
neliniaritatea sa puternic, provenit din variaia în timp a parametrilor (tempe-
ratura exterioar, numr de cltori, etc.). În aceste condiii se pot aplica cu
succes regulatoare adaptive, dintre care, în ultima perioad, s-au impus tot mai
mult regulatoarele fuzzy. În [19] se face o comparaie între regulatoarele con-
venionale i regulatoarele fuzzy, pentru cazul condiionrii aerului dintr-o
încpere, în condiiile unei clime mediteraneene. Reglarea debitului de aer
proaspt se face în lucrarea de mai sus prin modificarea seciunii unei ferestre.
Autorii au ales pentru comparaie dou regulatoare fuzzy:
d) Regulatorul Mamdani (MFC - Mamdani Fuzzy Controller) i
e) Regulatorul Gupta (GFC - Gupta Fuzzy Controller).
Fiecare dintre regulatoarele fuzzy are ca intrare concentraia de CO2 i
derivata sa, iar ca ieire, variaia ariei ferestrei de aerisire.
Din compararea evoluiei în timp a concentraiei de bioxid de carbon,
(valoarea impus fiind de 800 ppm) a rezultat superioritatea regulatorului PID
care a pstrat concentraia maxim în domeniul 800 + 20 ppm în timp ce
cellalte regulatoare au realizat doar 800 + 50 ppm. Valoarea medie a fost îns
pentru toate regulatoarele apropiat de 757 ppm.
Pe de alt parte stabilitatea regulatorului PID a fost cea mai slab,
observându-se 57 de cicluri oscilante, valoarea medie a celei mai lungi perioade
de pstrare constant a deschiderii ferestrei fiind doar de 5 min. La regulatorul
bipoziional s-a constatat o variaie mare a acestui parametru, funcie de con-
diiile exterioare i ocuparea incintei. Durata medie a perioadelor de constan a
fost în acelai timp de 30 min. pentru PIdb, 24,5 min. pentru GFC i 20 min.
pentru MFC.
În concluzie, cele mai potrivite regulatoare pentru condiionarea aerului
dintr-o încpere sunt PIdb, GFC i MFC.
Aplicarea regulatoarelor fuzzy în domeniul vagoanelor de cltori este la
aceast or o problem deschis. Controlerele fuzzy ar putea fi aplicate cu suc-
ces în reglarea unor procese neliniare cum ar fi condiionarea aerului sau frâna-
rea ABS. Nu se cunosc îns la aceast or aplicaii semnificative ale logicii
fuzzy în acest domeniu, unul dintre motive fiind conservatorismul administraiilor
de ci ferate, care consider logica fuzzy “bun pentru aplicaiile casnice, dar
nesigur în aplicaii care necesit un grad ridicat de siguran”.
Având în vedere considerentele de la pct. 5.1, cel puin pentru
condiionarea aerului, o anumit imprecizie a reglrii temperaturii i debitului de
aer nu este de fapt un inconvenient. Pe de alt parte, dac regulatorul PIdb
poate fi comparat pe poriuni cu regulatoarele fuzzy, comportarea global a
regulatoarelor fuzzy este superioar. Din literatura referitoare la aplicaiile fuzzy
reiese c unul dintre principalele avantaje ale acestora îl reprezint tocmai
comportarea foarte bun în cazul sistemelor nelineare i cu parametrii variabili
[20].
BIBLIOGRAFIE
1. - *** - Fiele UIC - 2. - Jean Sauvestre - La modernisation des CC 1100 - Revue generale des chemins de fer, pag. 33 - 39, mai, 1992, Dunod. 3. - Jean Sauvestre - Utilisation d’automates programmables pour la renovation des locomotives BB 9600 - Revue generale des chemins de fer, pag. 25 - 37, mai, 1993. 4. - Michel Boiteux - Le probleme de l’adhérence en freinage - Revue générale des chemins de fer, pag. 50 - 72, feb. 1986. 5. - Michel Boiteux - Les antirayeurs modernes. Principes constructifs - Revue générale des chemins de fer, pag. 73 - 81, feb.1986. 6. - Jack Aumaréchal - Le systeme antienrayeur Faiveley - Revue générale des chemins de fer, pag. 82 - 86, feb. 1986. 7. - Schema de principe 2613.80.001 - De Dietrich et Cie (schema instalaiei electrice a vagonului CORAIL). 8. - Reiner Daum i Ron Zohar (INIT GmbH) - Intelligent passenger counting for trains - Railway Technology International ‘93. pag. 113 - 114, Sterling Publications, London. 9. - Charles Andrews (GEC - Marconi Defence Systems) - Black boxes for rail vehicles - Railway Technology International ‘95, pag.47 - 49, Sterling Pub. 10. - Niels Damgaard Pedersen (DSB) - The IR4 regional electric train - set - Railway Technology International ‘93. pag. 21 - 23, Sterling Pub., 11. - Hallvard M. Kristiansen (ABB Strommen) - Advanced InterCity express train for Norway - Railway Technology International ‘93. pag. 45 - 50, Sterling Pub. 12. - Bill McMorran - In - service monitoring of rolling - stock and track - Railway Technology International ‘93, pag.113 - 114, Sterling Pub. 13. - Thomas Lonicer - Class S252 dual - voltage, high - performance locomo- tive - Rail - way Technology International ‘93. pag. 25 - 34, Sterling Pub. 14. - Ruth Ling - Satellites keep trains on the right track - Railway Technology International ‘95. pag. 95 - 96, Sterling Pub. 15. - Felix Häusler - Video surveillance improves transportation facilities - Rail- way Technology International ‘95. pag. 99-100, Sterling Pub. 16. - *** - Frâna KE P-R-MG 8X10’’ - Knorr Bremse. 17. M. Nakazawa, O. Isobe, S. Takahashi, Y. Watanabe - Braking Force Distri- bution Control for Improved Vehicle Dynamics and Brake Performance - Vehicle System Dynamics, nr. 24, pag. 413-426, Swets & Zeitlinger, 1995.
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 44
18. - Alan R. Lofting - Low-cost air conditioning for trains - Railway Technology International ‘95, pag. 77-79, Sterling Pub. 19. - A.I. Dounis, M. Bruant, M. Santamouris, G. Guaracino, P. Michel - Com- parison of Conventional and Fuzzy Control of Indoor Air Quality in Buildings - Journal of Intelligent & Fuzzy Systems, vol. 4, nr. 2, pag. 131-140, John Wiley & Sons, 1996. 20. - Witold Pedrycz - Fuzzy Control and Fuzzy Systems - second extended edition, John Wiley & Sons, 1993. 21. - V. Iancu i colectiv - Traciune electric - Curs universitar - Instit. Politeh- nic Cluj - Napoca, 1990. 22. - Mircea Dungan - Vagoane i frâne - Curs universitar - Universitatea Tehnic Timioara, 1990. 23. - Livius S. Bocîi - Frânarea vehiculelor feroviare de mare vitez - Referat pentru doctorat, Timioara, 1994, coordonator prof. dr. V. Hoanc. 24. - Livius S. Bocîi - Calculul energiei dezvoltate la frânarea vagoanelor de mare vitez - Referat pentru doctorat, Timioara, 1995. 25. - Livius S. Bocîi - Soluii constructive privind sistemele de frânare ale vehiculelor feroviare de mare vitez - Referat pentru doctorat, Timioara, 1996. 26. - M. Vdsan - Instalaia de frân pentru vagonul de mare vitez tip CORAIL- proiect de diplom, Universitatea “Politehnica” Timioara, 1996, coordonator conf. dr. M. Dungan. 27. - Al. Christea - Ventilarea i condiionarea aerului - Vol. I, Ed. Tehnic, Buc. 1968. 28. - Al. Christea, Nicolae Niculescu - Ventilarea i condiionarea aerului - Vol. II, Ed. Tehnic, Buc. 1971. 29. - E. andru i colectiv - Termotehnic i aparate termice - Ed. Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1982. 30. - *** - Calculul instalaiei de climatizare prin metoda Toshiba - Institutul de Cercetare i Proiectare pentru Vagoane Arad. 31. - tefan Preitl - Teoria sistemelor i reglaj automat - Curs universitar - Universitatea Tehnic Timioara, 1992. 32.- Sergiu Fotea (SNCFR), Dana Baltac (student IP Buc.) - Marketing i cali- tate în traficul feroviar de cltori (II). - Revista Cilor Ferate Române, nr. 1, Bucureti, 1992. 33. - Gheorghe Floricel (ICPTT) - Marketing i oferte de prestaii în traficul fero- viar de cltori - Revista Cilor Ferate Române, nr. 3, Bucureti, 1992. 34. - Marius Bla, Valentina Bla - Dispozitiv de optimizare a funcionrii iluminatului în vagoanele de cltori - “Revista CFR” nr. 5 / 1993, pag. 20 - 24, Bucureti. 35. - Marius Bla, Valentina Bla - Traductoare pt. msurarea vitezei vagoa- nelor realizate în Arad - Volumul Sesiunii de Comunicri tiinifice a Univ. “Aurel Vlaicu” Arad, mai, 1994 Sec. Material Rulant, pag. 65 - 70.
Automatizri în industria vagoanelor de cltori 45