Vingt ans presque jour pour jour après sa mise en service, nous avons remplacé notre vieux bloc-système à relais (voir nos pages « Électrification d’un réseau de club« ) par un nouvel ensemble électronique commandé par un PC.
Sommaire
Introduction
Pourquoi un nouveau bloc-système ?
Pour remédier au défauts de l’ancien…
- Les lampes ballast, malgré le confort d’utilisation qu’elles apportaient, introduisaient une chute de tension non négligeable lors de la mise en service de trains lourds ou éclairés.
- La marche en pousse n’était possible qu’avec des rames spécialement équipées d’une « ligne de train ».
- La signalisation n’avait été traitée que sommairement (quelques signaux en ligne seulement) et son extension aux zones de gare était très lourde à mettre en oeuvre.
- Enfin, des défauts étaient apparus, dus à l’utilisation de relais IBM qui, étant réglables, s’étaient déréglés au fil des années.
…ainsi que pour introduire de nouvelles fonctions:
- Démarrages, ralentissements et arrêts progressifs.
- Éclairage permanent BF.
- Améliorations d’exploitation (sécurités diverses, statistiques d’utilisation, etc).
Pourquoi un système commandé par un PC ?
Tout simplement dans un but de simplification : la présence du PC permet de supprimer tous les composants logiques (relais ou circuits logiques) tout en permettant des fonctions extrêmement sophistiquées. Le matériel est réduit à sa plus simple expression, le coût s’en trouve diminué et la mise en service accélérée.
Pourquoi pas du digital ?
Nous avons écarté le digital afin que tous nos membres puissent apporter leurs locomotives au club et les faire circuler sans restriction.
Le digital est aussi bien plus cher qu’un système construit localement avec des composants de récupération, comme c’est le cas ici.
Enfin, certaines options du digital ne nous ont pas séduit: décentralisation de l’électronique, avec pour conséquence un câblage très complexe, manque de sophistication des programmes de gestion, toujours moins performants que ceux que nous écrivons nous même, etc.
Critères de conception :
Pour accélérer la mise en service, et ne pas interrompre l’exploitation trop longtemps, nous devions nous adapter au réseau tel qu’il est, avec ses particularités :
- un seul rail est coupé, ce qui a des conséquences sur les détecteurs d’occupation de voie,
- les coupures sont à gauche, et l’alimentation traction est négative par rapport à la masse. Changer cela impliquait non seulement un re-câblage du réseau, mais la réfection de toutes les alims de manoeuvre, qui sont au nombre d’une dizaine.
- toutes les alims auxiliaires sont également négatives par rapport à la masse. Cette particularité est extrêmement gênante lorsqu’on veut utiliser des circuits intégrés, et nous recommandons à tous ceux qui commencent un nouveau réseau de ne pas commettre la même erreur. La notre était excusable dans les années 80, où l’électronique pour trains n’utilisait encore que des composants discrets, mais ne le serait plus aujourd’hui.
Pour simplifier l’utilisation, et la mettre à la portée de tous les membres sans formation préalable, l’ordinateur devait se faire oublier complètement, l’exploitation se faisant uniquement à travers des panneaux traditionnels, avec lampes et boutons.
Même en ce qui concerne le TCO, les membres ont refusé sa réalisation sur écran, et nous l’avons fabriqué de façon tout-à-fait traditionnelle. Seule concessions à la modernité, le bois a été remplacé par du médium, les lampes par des LEDs, et le panneau a été usiné sur une fraiseuse à commande numérique.
Pour la même raison, les trains ne devaient être ni personnalisés ni déclarés (pas de cab-control).
Par ailleurs, après quelques essais préliminaires, nous avons renoncé à l’alimentation asservie, justement parce qu’elle nécessite, pour bien fonctionner, une personnalisation des trains (voir notre page sur le sujet).
Enfin, pour réduire les coûts, nous devions utiliser un maximum de composants de récupération: transistors, connecteurs, câbles, circuits intégrés, etc, ce qui fut le cas.
Une installation étagée :
Faute de temps et de moyens, l’installation complète va s’étaler sur plusieurs années.
Actuellement, le PC contrôle les trains en ligne et les signaux.
La gare de passage est en cours de réfection, et lorsqu’elle sera terminée, elle sera également sous contrôle du PC.
La gare terminus doit rester telle quelle, sauf panne majeure.
L’éclairage permanent BF sera installé ultérieurement.
Caractéristiques de l’interface
- 32 cantons, avec pour chacun: une alimentation commandée par le PC, et deux détecteurs d’occupation de voie. 28 cantons seulement sont utilisés actuellement.
- 128 points de commandes pour aiguilles, signaux, lampes, LEDs, relais auxiliaires, etc. Actuellement, 28 de ces points sont utilisés pour commander le TCO, 9 pour commander des signaux, 2 des aiguilles, et 11 pour les petits postes de commande répartis sur le réseau. Lors de la prochaine étape (gestion de la gare de passage), 18 de plus seront utilisés pour commander les relais d’alimentation des voies, et 19 autres pour les moteurs d’aiguilles.
- 128 points de lecture pour boutons et détecteurs en tous genre. Actuellement, 25 sont utilisés pour la synchronisation avec les postes de commande des gares (détection des itinéraires établis), et 6 pour les petits postes de commande. Lors de la prochaine étape, 23 de plus seront consacrés à la gestion du poste de commande de la gare.
- commande par un vieux PC de récupération (actuellement, un IBM PS/1), à travers le port parallèle.
Structure de l’interface
Les différentes cartes sont au format 15x20cm, et sont disposées dans un rack en bois de fabrication maison.
On trouve vers l’avant la connexion avec l’extérieur (PC, réseau, postes de commande) et au fond l’interconnexion par le fond de panier.
Ci-contre, le rack vu coté cartes.
Il se présente sous forme d’une valise, pour être transportable.
Carte interface PC :
Elle assure le démultiplexage des commandes envoyées par le PC sur le port parallèle, et la régénération des signaux vers les autres cartes.
Elle supporte aussi, pour simplifier le câblage, les 8 convertisseurs numériques-analogiques quadruples qui commandent la traction sur les 32 cantons.
Elle comprend enfin quelques points d’entrée-sortie destinés au contrôle des cartes du rack (commande de l’éclairage, disjoncteurs, etc).
A gauche: le connecteur Centronic qui reçoit le câble en provenance de l’interface parallèle du PC (câble d’imprimante).
A droite: les deux connecteurs du fond de panier.
Cette carte étant faite avec des moyens d’amateur, donc avec des pistes assez larges, quelques connections sont réalisées en wrapping (fil blanc).
Carte pour 64 points de commande :
Elle offre 64 points de sortie via des drivers UDN2974, qui sont aux tensions négatives ce que les ULN2803 sont aux tensions positives: chacun comprend 5 darlingtons 50V, 500mA, capables de commander des charges connectées à une tension négative.
Les sorties se font sur les 3 connecteurs DB25 de gauche, à travers des diodes 1N4148 qui ont un double rôle: empêcher le mélange des différentes tensions utilisées pour LEDs, relais, etc, et servir de fusible en cas de court-circuit.
Le connecteur de droite est celui du fond de panier.
Carte pour 64 points de lecture :
Elle offre 64 points d’entrée, mais elle est actuellement sous équipée à 40.
24 points ont été équipés de photo-coupleurs (en bas à gauche) pour isoler les entrées.
Cette opération fut en fait inutile: le problème était ailleurs, et on peut très bien se passer de cette isolation. Mais la modification étant faite, nous l’avons conservée.
Ici aussi les entrées se font sur les 3 connecteurs DB25 de gauche.
Le connecteur de droite est celui du fond de panier.
Carte pour 4 cantons :
Elle permet de gérer 4 cantons, c’est à dire de régler la vitesse et de détecter l’occupation des deux parties du cantons: pleine voie et zone de fin de canton.
A gauche, les détecteurs d’occupation de voie, qui ne comportent que des composants passifs et un seul circuit logique.
Les gros condensateurs argent et bleu sont ceux de l’éclairage BF.
Au centre, les deux transistors (darlington) de l’alimentation traction de chaque canton.
En haut à droite, les résistances de détection des court-circuits.
Les straps jaunes remplacent les selfs de l’éclairage BF, non encore réalisées, et qui seront supportées par une carte fille.
Des interrupteurs de reprise en manuel sont prévus, mais ne seront installés que si le besoin s’en fait sentir, ce qui n’est actuellement pas le cas.
La connexion au réseau se fait par le connecteur DB9 de gauche.
Le connecteur de droite est celui du fond de panier.
Carte d’alimentation générale :
C’est la plus complexe de l’ensemble. Elle comprend :
- les alimentations pour l’électronique: 5V et 15V (régulateurs montés sur le radiateur du bas),
- les fusibles et les LEDs de supervision (vertes) de toutes les tensions d’entrée: traction, -48V, -24V, BF, etc, ainsi que celles des disjoncteurs (rouges).
- un double générateur d’éclairage BF (au centre), dont on voit le gros radiateur vers le haut de la photo,
- les disjoncteurs traction et éclairage, un montage assez sophistiqué, et dont l’électronique est partiellement cachée par le radiateur du géné BF. Ces disjoncteurs commandent entre autres le buzzer (noir avec 2 fils noirs et rouge)
Elle reçoit par le connecteur DB25 de gauche l’électricité en provenance de différents transformateurs.
Le connecteur de droite est celui du fond de panier.
Cette carte comporte également quelques connections en wrapping, mais de plus, quelques erreurs ayant été commises lors du dessin du circuit imprimé, ces erreurs ont été corrigées par adjonction du petit Veroboard (en bas à droite), également connecté en wrapping.
Le PC :
Le PC est un IBM PS/1, mais n’importe quel PC de récupération peut convenir.
On aperçoit à sa droite le rack, de profil.
Le clavier est recouvert d’une protection contre la poussière, car il ne sert pas en exploitation normale.
Écrans de maintenance :
L’écran du PC est utilisé pour la maintenance. Il affiche normalement le TCO ci-contre, où l’on voit:
L’état des voies:
- libres: en vert
- occupées: en rouge
- zappées (réservées) en jaune
- en erreur: en violet.
L’état des signaux:
- voie libre: en vert
- ralentissement: en jaune
- sémaphore: en rouge
- carré: en violet.
La position des aiguilles est indiquée par un petit carré gris.
Dans certaines circonstances, l’écran peut passer en mode texte, par exemple pour afficher des messages de maintenance, ou bien sur demande de l’opérateur, pour afficher des informations plus complexes.
Ici, on a affiché l’état détaillé du canton 3, et celui des itinéraires (en gris: existants, en rouge: établis, en jaune: programmés, etc)
Caractéristiques du logiciel
- signalisation complète commandée par l’occupation des voies et l’établissement des itinéraires.
- commande des trains en ligne par obéissance aux signaux, avec changements de vitesse progressifs.
- prise en charge automatique des trains lorsqu’ils sont mis sur la voie, puis suivi de canton en canton (fonction nécessaire dès lors qu’on a des démarrages et ralentissements progressifs).
- commande automatique des itinéraires convergents, commande manuelle des itinéraires divergents.
- commande du grand TCO, avec indication des voies en erreur (mauvaise prise de courant).
- à terme, gestion de la gare de passage et de sa signalisation.
- écrans de contrôle sur PC indiquant l’état détaillé des cantons et des signaux, la position des aiguilles, et diverses informations utiles pour la maintenance.
- démarrage par simple mise sous tension, avec le reste du réseau, et arrêt par la mise hors tension.
Gadget : en fin de séance, un logiciel calcule, à partir du nombre de parcours des cantons et de leur longueur, la distance totale parcourue.
Entre mai 2002, date de la mise en service, et début juillet 2002, date de la rédaction de cette page, les trains ont parcouru 40766 m réels, soit 3546 km à l’échelle HO. Ça peut paraître beaucoup, mais à 80 km/h de moyenne, ça ne représente que 44 heurextrain, à répartir sur les 48 heures d’ouverture du réseau. Ce chiffre explique l’intense activité de maintenance à laquelle nous sommes obligés de nous livrer sur le matériel.
Structure du logiciel
- un programme pilote « synchrone » gère les événements fortement dépendants du temps:
- multiplexage des entrées/sorties,
- accélérations et ralentissements,
- temporisations diverses.
- un programme « asynchrone » gère les autres événements:
- changement d’occupation des cantons,
- actions de l’opérateur,
- supervisions en tous genres.
Fonctionnement
Pour les opérateurs, rien n’a changé dans les principes de base de l’exploitation: les gares et autres zones d’activité restent sous contrôle entièrement manuel, et les voies en ligne sous contrôle du bloc-système.
Pour passer de l’un à l’autre, il suffit d’établir un itinéraire de sortie ou d’entrée de gare.
Par contre, les commandes d’aiguilles ont été pourvues de sécurités semblables à celles décrites ci-après.
Détails
Les postes de commande des bifurcations :
Ces deux petits postes commandent les deux bifurcations de pleine voie, et constituent une bonne illustration de ce qu’on peut faire grâce à un PC :
En appuyant sur l’un des boutons (droit ou gauche), l’opérateur demande que l’aiguille se mettent dans la position correspondante.
Si c’est possible, la manoeuvre a lieu et la LED correspondante s’allume.
Sinon (train engagé sur l’aiguille) la demande est enregistrée et la LED clignote. Après dégagement du train, la manoeuvre est exécutée.
Après enregistrement, l’opérateur a aussi la possibilité de ré-appuyer sur le bouton pour forcer la manoeuvre en surpassant les sécurités.
On imagine ce qu’il faudrait de relais ou de circuits logiques pour réaliser la même chose en logique câblée. Ici, le PC s’occupe de tout: les boutons et la LED sont directement connectés aux cartes d’interfaces décrites plus haut.
Les postes de commande d’arrêt général et reprise :
Ces petits postes de commande sont installés à plusieurs endroits du réseau, sur le bandeau en bois vernis qui le ceinture.
Le bouton rouge commande l’arrêt immédiat de tous les trains.
La LED rouge (car elle est rouge en réalité!) indique différents états du système: disjonction, arrêt général, défaut de captation, etc.
Le bouton vert commande la reprise, et l’acquittement des différentes sécurités.
Le nouveau TCO :
Le TCO comprend 330 LEDs en 28 groupes (28 cantons). Sur cette photo, 3 cantons sont occupés.
Ce TCO est positionné en hauteur, à un endroit d’où l’on voit tout le réseau.
Il est réalisé en médium fraisé et peint.
Chaque canton est matérialisé par une rangée de LEDs, qui sont éteintes quand le canton est libre, allumées lorsqu’il est occupé, et qui clignotent en cas d’erreur (défaut de captation).
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