cRIO​を​採用​し​より​実車​に​近い​模擬​を​実現​した​車両​運転​技能​教習​用​速度​制御​器​の​開発

平澤 啓 氏, 株式会社​イー・​アイ・​ソル

"本​装置​の​導入​により、​ファンクション​ジ​ェ​ネ​レ​ータ​では​出力​出来​ない​様々​な​運転​パターン​や​車輪​の​動作​状態​を、​cRIO​から​波形​出力​する​事​で、​より​実車​に​近​づ​い​た​技能​教習​を​実現​した"

- 平澤 啓 氏, 株式会社​イー・​アイ・​ソル

課題:

装置​に​接続​さ​れる​速度​発電​機​が​3​種類​あり、​それぞれ​の​出力​周波数​が​異なる​こと、​出力​波形​が​矩形​波​で​あっ​たり、​電圧​が​規定​の​出力​を​満​た​さなか​っ​た​こと、​15​段階​に​も​及ぶ​加​減速​の​制御​や​14​種類​の​モード​切替​を​手動​で​行う​こと​が​難​しく、​また​1​台​100​万​弱​も​する​ファンクションジェネレータ​(4​出力)​が​8​台​以上​必要​で​ある​こと、​いずれ​車両​搭載​機器​を​更新​した​際​に​も​対応​させる​こと​など​を​総合​的​に​考え​た​とき、​当初の仕様条件を満たす機器が市場に見当たらなかった。

ソリューション:

汎用​で​廉価​にもかかわらず​応用​性​が​高い​「NI​の​機器​と​LabVIEW」​の​組み合わせ​による​本​システム​の​開発​に​着手

装置​概要​及び​NI​社​選定​理由


​本​制御​器​は、​東日本​旅客​鉄道​株式会社​の​技能​教習所​内​に​設置​した​実機​教材​を、​模擬​的​に​動作​させる​上​で​必要​な​機器​で​ある。
​一般​的​な​電動機​付​客車​(以下​車両​と​する)​は、​車軸​に​取り付け​て​ある​速度​発電​機​から​の​正弦波​出力​交流​を、​各​制御​装置​や​保安​装置​へ​入力​し、​現​速度​を​認識​さ​せ​た​上​で​さまざま​な​条件​(車両​の​加​減速​や​緊急​時​の​取り扱い​など)​により​車両​速度​を​制御​する。
​開発​当初​は、​現存​車両​に​合わせ​た​車体​ぎ装​の​内容​で​各​装置​を​接続​し、​同期​さ​せ​た​ファンクション​ジ​ェ​ネ​レ​ータ​を​用​い​て、​各​装置​へ​模擬​速度​を​入力​し​て​や​れ​ば​よい​の​では​と​考え​た。
​しかし、​装置​に​接続​さ​れる​速度​発電​機​が​3​種類​あり、​それぞれ​の​出力​周波数​が​異なる​こと、​出力​波形​が​矩形​波​で​あっ​たり、​電圧​が​規定​の​出力​を​満​た​さなか​っ​た​こと、​15​段階​に​も​及ぶ​加​減速​の​制御​や​14​種類​の​モード​切替​を​手動​で​行う​こと​が​難​しく、​また​1​台​100​万​弱​も​する​ファンクションジェネレータ​(4​出力)​が​8​台​以上​必要​で​ある​こと、​いずれ​車両​搭載​機器​を​更新​した​際​に​も​対応​させる​こと​など​を​総合​的​に​考え​た​とき、​当初の仕様条件を満たす機器が市場に見当たらなかった。
​そこで、​車両​の​制御​理論​の​検証​や​教育、​また​車両​用​に​開発​した​装置​における​仕様​と​の​妥当​性​の​確認​の​ため、​汎用​で​廉価​にもかかわらず​応用​性​が​高い​「NI​の​機器​と​LabVIEW」​の​組み合わせ​による​本​システム​の​開発​に​着手​した。
​本​装置​は、​東日本​旅客​鉄道​株式会社​が、​模擬​出力​信号​等​含​め​た​仕様​を​検討​し、​運転​台​と​の​通信​や​信号​出力​等​システム​製作​は、​模擬​TIMS​システム​や​扉​開閉​システム​等​で​システム​製作・​販売​実績​の​ある​株式会社​イー・​アイ・​ソル​が、​その​仕様​に​基​づ​き​システム​製作​を​行い、​販売​した​装置​と​なる。

 

 

システム​概略


​本​技能​教習​は、​実際​の​運転​台​で​技能​教習​を​行い、​実際​の​車両​床下​に​ある​VVVF(インバータ)​や​TIMS(車両​制御​装置)、​ブレーキ​制御​装置​に対して​速度​信号​出力​を​行う​もの​と​なる。
​本​装置​は、​ファンクション​ジ​ェ​ネ​レ​ータ​では​出力​出来​ない​様々​な​運転​パターン​や​車輪​の​動作​状態​を、​cRIO​から​波形​出力​する​事​で、​より​実車​に​近​づ​い​た​技能​教習​を​実現​した。
​また、​実車​で​実際​に​起きる​「滑走」​「空転」​状態​を​作り出す​事​で、​滑走​防止​装置​や​VVVF​の​モータ​出力​波形​から​状態​の​確認・​研修を行う事が可能となった。
​本​装置​は、​運転​台​に​ある​マス​コン​や​運転​台​I/​F、​VVVF​と​通信​を​行い、​状態​監視​を​行う。
​その​状態​に​合わせ​て、​様々​な​運転​パターン​信号​を、​cRIO​より​出力​する​システム​と​なる。
​通常、​ノッチ​の​速度​段階​に​合わせ​た​速度​信号​出力、​ブレーキ​信号​出力​を​行う​のみ​が​一般​的​で​あっ​た​が、​本来​の​運転​時​は、​車輪​の​空転​や​滑走​といった​状態​も​発生​する。
​ファ​ク​ション​ジ​ェ​ネ​レ​ータ​では、​それらの状態信号は作り出す事が出来なかったが、​cRIO​を​採用​する​事​により、​今まで​不可能​で​あっ​た​空転・​滑走といったより実車に近い形での信号出力が可能となった。​また、​MXI-​Express​を​採用​した​こと​で​1msec​周期という高速での出力周波数の変更が可能となった。

 

 

システム​機能


​マス​コン、​運転​台​I/​F、​VVVF​と​の​通信​は、​RS-485(HDLC)​通信。
​それぞれ​主機​系​と​待機​系​の​2​系統​と​通信​し、​情報​を​取得​し​て​いる。
​出力​波形​は、​LabVIEW-​FPGA​を​使用​し​て​19​種類​の​正弦波​を​作成​し​て​出力。
​(使用​モジュール​数​は​11​個、​40CH、)
​ノッチ​信号​や​運転​モード​に​合わせ​て、​1msec​周期​で​出力​波形​を​更新​出力。

ユーザー​インターフェース​は、​NI FPT-1015​の​15​インチ​モニタ​を​使用​する​こと​で、​タッチ​パネル​による​操作​を​実現​し​て​いる。

各種​動作​モード​に​対応​した​信号​の​出力​(計​19​パターン)    

・​通常​動作​モード
               ・​力行
               ・​ブレーキ
               ・​非常​ブレーキ
               ・​だ行
               ・​再​力行、​再​ブレーキ
               ・​停止
               ・​保安​装置​ブレーキ
               ・​直通​予備​ブレーキ
               ・​定速
               ・​低​定速
               ・​抑速

 


​・​高位​優先​モード     車輪​径​の​大きい​信号​を​優先​する​モード

    

・​速度​異常​モード     異常​状態​発生​の​モード。​この​モード​が、​FG​では実現出来なかったが、​cRIO​採用により実現可能となった。
               ・​空転
               ・​大​空転
               ・​滑走
               ・​大​滑走


​・​BSD​操作                前進・​後進​信号​の​切替​モード

 

速度​異常​モード​の​パラメータ​設定
​運転​状態​の​表示
       ・​力行、​ブレーキ​ノッチ等
                         ・​非常
                         ・​B1N​~​B8N
                         ・​N(ノッチ​オフ)
                         ・​P1N​~​P5N
​出力​速度​信号​の​グラフ​表示

画面例

 

拡張性


​異常​運転​モード​実施​時に、​出力​信号​を​外部​スイッチ​ボックス​等​で​切替​を​行う​か、​配線​を​変更​する​など​の​操作​を​行う​必要​が​ある​が、​本​システム​に​スイッチ​を​組み込み、​画面​上​に​表示・​スイッチング​操作​を​行う​事​で、​統合​さ​れ​た​速度​制御​器​となり、​かつ​実際​に​出力​し​て​いる​速度​信号​の​流れ​も​同時に​確認・​制御​を​行う​事​が​可能​となり、​研修​も​より​スムーズ​に​行​われる​よう​に​なる。

 

導入​効果


​本​装置​の​導入​により、​ファンクション​ジ​ェ​ネ​レ​ータ​では​出力​出来​ない​様々​な​運転​パターン​や​車輪​の​動作​状態​を、​cRIO​から​波形​出力​する​事​で、​より​実車​に​近​づ​い​た​技能​教習​を​実現​した。
​また、​実車​で​実際​に​起​き​得る​「滑走」​「空転」​状態​を​作り出す​事​で、​波形​状態​の​確認・​研修を行う事も可能となった。
​また、​今後、​出力​信号​の​増加​や​対象​に​変更​が​生​じ​た​際​に​も、​設定​変更​や​モジュール​追加​で​の​対応​が​可能​となり、​都度​で​測定​器​を​購入​する​必要​が​なく​なり、​結果、​コストパフォーマンスにも優れた装置となった。

研修​場​風景

 

著者​情報:

平澤 啓 氏
​株式会社​イー・​アイ・​ソル
​Japan