Netzwerkmagnetik: Informationen an einem "toten" Waggon in einem Tunnel vorbeibekommen

Ich bin eigentlich ein Maschinenbauingenieur, also bin ich nicht sehr versiert in elektronischem Design, hier geht es:

Ich möchte einen induktiv gekoppelten Netzwerksteckverbinder für die Bahnindustrie entwickeln. Ziel ist eine Datenverbindung entlang des gesamten Zuges.

Einige wichtige Punkte, die es zu beachten gilt:

  • Es gibt derzeit kein Stromnetz über den Zug. Es wurde versucht, mit dem mechanischen Koppler verbundene Kontakte automatisch zu koppeln, aber es ist äußerst schwierig, sie zuverlässig zu machen. Was funktioniert, sind Achsgeneratoren und Pufferbatterien an jedem Waggon.
  • Ich möchte einen „toten“ Waggon (Wagen mit nicht funktionsfähiger Elektronik) in einem Tunnel „umfahren“ können. Dies schließt drahtlose Systeme ziemlich aus , da ich glaube, dass sie große Schwierigkeiten haben werden, HF-Signale zuverlässig um den toten Wagen herum zu senden. Ich dachte an die Verwendung der folgenden Netzwerktopologie, um dies zu lösen:Netzwerktopologie
  • Ich strebe hier eine physische Verbindung an, denn wenn Sie eine Reihe von Waggons verbinden, registrieren sich alle automatisch bei der Lokomotive. Züge werden in Bahnhöfen mit vielen Waggons gebaut, daher möchten Sie sicher sein, dass Sie keine Waggons auf dem angrenzenden Gleis in Ihre Waggonliste über WLAN aufnehmen.
  • Ich brauche wirklich nur ganz minimale Datenraten . Hauptsächlich wird die Lok den Waggons alle 100 ms mitteilen, dass sie nicht bremsen (fail safe) oder * bei X% bremsen sollen und die Waggons zurückmelden, dass sie alle noch da sind (Zugintegrität). Die anderen Daten sind nicht zeitkritisch. Video ist schön zu haben (um den Zug mit einer Rückfahrkamera sichern zu können, ohne die Kabine zu verlassen), aber eine nicht zuverlässige Verbindung über normales öffentliches LTE wäre in Ordnung.

Ich habe mir den elektrischen Aufbau von Ethernet angesehen. Ich habe gesehen, dass es immer Impulstransformatoren zur galvanischen Trennung gibt (und eine Gleichtaktdrossel zwischen Kabel und Platine).

Ich hatte die Idee: Warum nicht einen physisch trennbaren Impulstransformator herstellen, um magnetisch zu übertragen? Ich wollte ein Demonstrator-Netzwerk aufbauen, das ungefähr so ​​​​aussieht:

3Wagen-Setup

Hier sind meine Fragen:

  • Wenn ich einen Ethernet-Impulstransformator kaufe, die Ferritperlen aufsäge und neu anordne und neu wickle, um sie physisch trennbar zu machen, funktioniert dies wahrscheinlich tatsächlich (vorausgesetzt, die Perlenhälften sind ohne Luftspalt gut ausgerichtet?). Kauf- und Bastelempfehlungen?

  • In den Kommentaren haben Sie mir gesagt, dass Ferrit sehr spröde ist. Auch die Perlen sind sehr klein. Welche Art von Verlusten und welche Art von Frequenzen wären mit einem ~10-mm-Mu-Blechkern möglich? Ich verstehe, dass dies nicht mehr innerhalb der Ethernet-Standards liegen würde. Gibt es eine Empfehlung, ein langsameres Netzwerk im Ethernet-Stil zu verwenden?

Ich freue mich über jede Hilfe, die ich bekommen kann, danke!

Hier ist die Visualisierung der Idee auf dem Kupplungskopf mit 3 in Harz eingelassenen Schalenkernen in einem stabilen gefrästen Gehäuse:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

*Hier einige Hintergrundinformationen zu meiner Aufgabe: Ich bin in einem Industrieausschuss, der sich mit der Automatisierung von Güterschienen beschäftigt. Wir wollen ein hochzuverlässiges Kommunikationsnetz für Güterwaggons entwerfen.

Das Hauptproblem ist, dass die Bahnindustrie sehr konservativ ist und alle auf das angeblich „erprobte“ Design setzen. Im Personenverkehr sind seit rund 100 Jahren elektrische Kupplungen mit Hunderten von einzelnen elektrischen Stiften im Einsatz (die Bahnindustrie ist immer noch ein Fan von fest verdrahteten Funktionen), die verschleißen, sauber gehalten werden müssen und durch Klappen/Türen geschützt sind und werden oft beheizt, um Feuchtigkeitsprobleme zu vermeiden. (Sie können in diesem Video bei Minute 1:10 die geöffneten Türen und die blanken Stifte auf jeder Seite der Kupplung sehen . )

Es ist einfach unmöglich, dass dies in einer Frachtumgebung zuverlässig funktioniert. Auch wenn wir bei den Kupplungen die Pflege auf Passagierebene übernehmen, koppelt man in der Passagierwelt maximal 2-3 Einheiten, nicht 30-100.

Deshalb wollte ich ein System konstruieren, das von Achsgeneratoren und Pufferbatterien gespeist wird, aber über eine physikalische Tinte am Koppler über einen induktiven Stecker sendet. Ich möchte aus 2 Gründen vermeiden, einfach komplett drahtlos zu gehen:*

  • Ich möchte eine physische Verbindung. Wenn Sie also eine Reihe von Waggons verbinden, registrieren sich alle automatisch bei der Lokomotive. Züge werden in Bahnhöfen mit vielen Waggons gebaut, daher sollten Sie sicher sein, dass Sie keine Waggons auf dem angrenzenden Gleis in Ihre Waggonliste aufnehmen.
  • Jeder hat Angst vor Hackern, ich denke, es wäre einfacher, funktionale Sicherheit und Informationssicherheit (gegen Informationsmanipulation, nicht gegen Abhören) auf einer physischen Verbindung nachzuweisen.
Ich bin mir ziemlich sicher, dass der Grund dafür 1) die Kosten und 2) die Zuverlässigkeit sind. 8p8c-Steckverbinder sind billig , und magnetische Materialien würden die Kosten erheblich in die Höhe treiben. Und es spielt keine Rolle, wo die Isolationsbarriere ist, sie muss einfach existieren. Was die Zuverlässigkeit betrifft, würde eine ausreichend gute magnetische Kopplung zur zuverlässigen Datenübertragung sehr spröde freiliegende Ferritoberflächen auf dem Stecker erfordern, und wenn diese abplatzen, würden Sie ziemlich schnell die Kopplungsstärke verlieren. Außerdem wäre dies nicht mit PoE kompatibel.
WLAN ist aus den am Ende des Beitrags genannten Gründen (Sicherheit, Zugintegrität) nicht wirklich eine Option. Bezüglich des Ferrit-Chipping gibt es vielleicht ein spezielles anderes Material? Auf jeden Fall ist er robuster als ein Stecker, weil er a) keine kleinen Federzungen hat und b) ziemlich unempfindlich gegen Wasser und Schmutz sein sollte. Auch die Kosten spielen keine Rolle: Der derzeit in Betracht gezogene Elektrokopf mit allen Kontakten, Türen, Federn, Dichtungen, Schnickschnack kostet einiges.
@SWKRail Bitte verwenden Sie die @-Funktion, um Personen über Ihre Antwort zu informieren. Ferrit ist im Grunde die einzige Option für Hochfrequenztransformatoren, was dies wäre; Sie können möglicherweise damit davonkommen, es mit etwas Schützendem zu beschichten (wie es bei diesen Ladegeräten für elektrische Zahnbürsten der Fall ist), aber Sie würden dabei die Kopplungsstärke verringern und benötigen möglicherweise einen Repeater in jedem Stecker, wenn Sie dies beabsichtigen über große Entfernungen übertragen – was das gesamte System sehr teuer machen würde.
Wie viele Daten pro Waggon, wie viele Waggons und wie schnell? Ich würde an ein industrietaugliches One-Wire-Protokoll denken. Siehe ti.com/lit/pdf/spma057 für die standardmäßige One-Wire-Aufzählungsmethode.
@Hearth danke für den Tipp zur Benachrichtigung. Ein sehr dünnes Blatt IDK, vielleicht Kevlar, um es zu beschichten? Zu den Kosten: Wenn der ganze Stecker weniger als 100€ kostet bin ich zufrieden
@SWKRail Nein, ich denke, die Lösung ist ein gut gestaltetes System elektrischer Kontakte aus Berylliumkupfer mit einer dicken Goldbeschichtung. Vielleicht Beryllium-Nickel, wenn Sie Hochtemperaturleistung benötigen. Verwenden Sie selbstwischende Kontakte. NEMA-Anschlüsse oder andere Haushaltsstromanschlüsse könnten eine gute Inspiration sein, sie sind billig, selbstwischend und gute sind sehr langlebig.
@Hearth Wir hatten viele Ansprüche aufgrund von Schmutz und Abnutzung, die dazu führten, dass Kontakte versagten. Wenn das die perfekte Lösung wäre, würde ich hier nicht fragen...
@SWKRail Deshalb sagte ich, ich solle ein gut gestaltetes System verwenden. Ich kann mir vorstellen, dass dieser Steckverbinder in der Elektronik sehr früh erfunden wurde und wahrscheinlich Mängel aufweist, die modernere Steckverbinderdesigns überwinden. Aber ich weiß nicht, ich kenne mich mit elektrischen Systemen von Zügen nicht aus. Der Versuch, ein Signal über mehrere magnetisch gekoppelte Anschlüsse zu senden, scheint jedoch sehr wahrscheinlich zu scheitern; jeder Stecker würde das Signal zunehmend verschlechtern.
@Hearth, also bin ich Maschinenbauer und du bist Elektrotechniker. Ich sage Ihnen, mechanische Steckverbinder sind ein Albtraum, und Sie sagen mir, elektrisch induktive Steckverbinder sind ein Albtraum: Ich denke, jeder fürchtet nur seine bekanntesten Fehler am meisten ... Deshalb habe ich nach Alternativen zu einem Standard-Ethernet gefragt. Wenn die Signalverschlechterung klein genug ist, um zwei Luftlücken zu überstehen, bin ich zufrieden.
@SWKRail Induktive Steckverbinder gibt es nicht wirklich , und dafür gibt es einen Grund. Es kann einen Versuch wert sein! Aber ich würde mich für mechanische Steckverbinder entscheiden, die für raue Umgebungen ausgelegt sind, und nicht an den Materialien sparen - verwenden Sie eine dicke (mindestens 50 μ ") Goldbeschichtung auf Berylliumkupfer- (nicht Messing-) Kontakten.
@Transistor ist das induktiv gekoppelt? A bis Datengeschwindigkeiten: Die Geschwindigkeit bis zum Ende des Zuges sollte deutlich schneller sein als die Schallgeschwindigkeit (für das Bremssystem haben wir derzeit pneumatische Bremsen). Bandbreite - IDK, eine Videoverbindung zum letzten Auto wäre schön, aber nicht unbedingt erforderlich. Der Rest ist sehr kleine Bandbreite.
@SWKRail Die Bandbreite eines Videolinks kann sehr stark variieren. Sie können von einem vollständig unkomprimierten 8k-60-Hz-Video bis zu einem 100x75-Pixel-Bild gehen, das alle zwei Sekunden aktualisiert wird. Ich glaube jedoch nicht, dass Sie beides über 1-Draht bekommen könnten.
Wie sieht es mit optisch aus? Entweder Glasfaser-Close-Anschlüsse oder sogar Sichtverbindung mit großer Lücke? Jedes Auto bräuchte seinen Achsgenerator/Batterie zur Regeneration. Kein Problem mit der Bandbreite.
@Hearth: Ich verstehe das Gefühl, aber ich war eigentlich der Reklamationsmann bei einem Kupplungshersteller, der verärgerte Passagier-Transitkunden an die Leitung brachte, die sich über sehr hochwertige Steckverbinder (Gold, Silber, Kupfer-Beryllium) beschwerten, die beispielsweise bei Meerwasserschauern versagten Brandung drang durch die Dichtungen und überbrückten Kontakte, oder sie wurden durch Staub und Kondenswasser verstopft. Es ist einfach nicht zuverlässig genug, und glauben Sie mir, Kopplerhersteller versuchen, es gut zu gestalten.
@Hearth Video mit 720p @5 Hz sollte ausreichen.
@Neil_UK Optical muss sauber gehalten werden, ich denke, das würde das Problem nicht wirklich lösen.
Nein, ich habe One-Wire als Idee für die eindeutige Adressierung und Erfassung individueller Fahrzeugdaten und die Reduzierung der Anzahl der Steckerstifte vorgeschlagen. Ich habe von Tauchfahrzeugen gehört, die Halbringkerntransformatoren verwenden, um Strom oder Daten an ein Tiefsee-Kettenfahrzeug weiterzuleiten. Ich denke, man braucht für jede Richtung einen. Ich kann nicht sehen, dass Video gut funktioniert. Wenn Sie es mit dem Bremssystem verbinden, erhalten Sie möglicherweise einige Statusinformationen, wenn es funktioniert.
@SWKRail: muss man trotzdem einen Stromanschluss machen? Wenn ja, können Sie die Daten einfach wieder auf die Stromleitungen modulieren.
Ich habe ein paar relativ einfache Fragen, die mir helfen, Ihr Problem zu verstehen? Wie weit muss das Signal übertragen werden. Wie viele Daten und wie oft pro Zug (alle Waggons in diesem Zug)? Was ist die Umgebung? Welcher Temperaturbereich? Ich glaube, eine nicht mechanische Verbindung wäre Ihre beste Lösung, aber das ist nur ein SWAG.
Sie wollen keine Ferritkerne in einem Stecker. Sie sind wirklich spröde. Wenn Ihre Datenraten niedrig sind – bis zu einigen hundert Bit pro Sekunde – können Sie dies mit Eisenkernen tun. Sowohl Ferrit- als auch Eisenkerne sind sehr anfällig für Rost, daher müssen Sie sie versiegeln. Das wird ein Albtraum, da der Fehlermodus intermittierend ist.
Ich kann den Wunsch sehen, aber ich bin sehr vorsichtig mit der Zuverlässigkeit von: " über eine physische Tinte * auf dem Koppler über einen induktiven Stecker *" Die nächsten Technologien, die ich kenne, sind die rotierenden Transformatoren, bei denen Sie gezwungen sind, sie zu verwenden weil direkt -Kontaktlösungen sind aufgrund der Relativbewegung ausgeschlossen. Und sie AFAIK, sie arbeiten nicht in einer Umgebung, die annähernd so feindlich ist wie eine Zugkupplung. Und Drehtransformatoren werden im normalen Betrieb nicht geöffnet, wie es Ihre Koppler tun würden.
Betrachten Sie für Ihr mechanisches Steckverbinderdesign das folgende Angriffsszenario. Sie haben eine Steckdose vom Typ A und einen Stecker vom Typ B. Jetzt steckt ein Eindringling ein AB-Teil in Ihren Behälter. Sie können es immer noch anschließen und werden es nicht bemerken. Das Teil selbst enthält 3 Wicklungstransformatoren zwischen Ihren Koppeltransformatoren. Sie können gut durch sie kommunizieren und werden es nicht bemerken. aber der Eindringling kann die dritte Wicklung zum Lauschen und zum Senden von Befehlen verwenden.
@tobalt Interessanter Angriff! Ich gehe hier aber davon aus, dass die Stecker mit dem Kupplungskopf verschraubt werden. Wenn Sie etwas zwischen a und b einführen, wird es beim Kuppeln zerstört (es ragt über die Vorderseite der Kupplung hinaus und nimmt somit die volle Kupplungsstoßkraft auf). Aber Punkt genommen, ich denke, es ist wichtig, den Stecker so zu befestigen, dass Sie nichts dazwischen stecken können, ohne die Verbindung beim Kuppeln zu zerstören.
Die HF-Umgehung eines einzelnen Waggons sollte „einfach genug“ sein. | Magnetische Kupplungssteckverbinder mit Abständen von einigen mm sind ebenfalls problemlos genug, um äußere Kunststoff- oder andere Hüllen zum Schutz zu ermöglichen. Ich habe mit Strom- und Datenübertragung simuliert.
@RussellMcMahon Klingt gut. Ich weiß, dass es magnetische Anschlüsse gibt, aber ich habe noch nie gesehen, dass sie tatsächlich ein Ersatz für eine RJ45-Buchse sind und tatsächlich magnetisch funktionieren. Werde dir eine E-Mail schicken.

Antworten (7)

Meine Antwort ist zwangsläufig hochrangig, da das Problem vielschichtig ist und verschiedene Lösungen zulässt.

Ziel: Übertragung von Daten zwischen Waggons eines Dieselzuges, der über keine elektrischen Zugstrecken verfügt, einschließlich Erreichbarkeit von Waggons trotz eines möglicherweise in der Mitte befindlichen Waggons ohne elektrische Versorgung. (hoffe es ist richtig synthetisiert)

Lösung1. Kabellose Verbindung. Es funktioniert, es gibt mehrere Beispiele in der Literatur und in der Praxis für eine solche Verbindung, z. B. für Passagier-WLAN und Bordkameras (Sicherheit). Sogar in Tunneln ist eine Ausbreitung auf einige zehn Meter möglich: Es gibt Veröffentlichungen in der Literatur zu Ausbreitungseigenschaften innerhalb von Personenwagen (Ihre sind, glaube ich, feste Güterwagen) oder im Luftspalt zwischen Zug und Tunnelwand. Bei 900 MHz und 2,45 GHz habe ich selbst Tests des Kanalverhaltens gemacht. -- Was die erwähnte Fehlregistrierung betrifft, gibt es Codewörter, unterschiedliche Netzwerke (SSID) usw., daher würde ich nicht sagen, dass dies ein Problem bei der Zugbildung ist. Wenn der Zug zusammengestellt ist, kann der Bediener über eine WLAN-Verbindung den Wagencode bestätigen und an das so erstellte Netzwerk anhängen.

Lösung2. Drahtgebundene Kopplung, z. B. mit einem automatischen Koppler. Letzte Woche in Kairo Tests durchgeführt, bei denen die Rotem-Züge mechanische und elektrische Kupplungen (getrennt) haben, die im Automatikmodus arbeiten. Die Signale werden über einen 74-poligen Stecker geführt. Es gibt einige Arbeiten zum Schutz vor Umwelteinflüssen, aber es kann getan werden und es gibt bereits Beispiele.

Lösung3. Drahtlose Übertragung im Nahfeld mit einem magnetischen Sender, der zB innerhalb von 1 m in der Nähe des mechanischen Kopplers funktioniert. Oder ein Funksender, wie er auf 430 MHz, 868 MHz oder dem oben erwähnten Multi-GHz-Bereich arbeitet. Was Sie brauchen, ist, Ihre Signale zu modulieren, um sie durch den so eingerichteten Kanal zu leiten.

Das Gesamtszenario sollte die Zeit für die Entwicklung der Lösung und die "Marktgröße" beinhalten, dh wenn Sie eine bestimmte Lösung entwickeln möchten oder etwas, das wiederverwendet werden kann (und daher etwas flexibler und leistungsfähiger sein muss als die Sie jetzt brauchen, z. B. in Bezug auf die Anzahl der Kanäle und den Durchsatz).

Letzter Baustein: Es gibt immer einen Sicherheitsaspekt, also Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Sicherheit, denn einige der ausgetauschten Signale können den Umlauf stören oder sicherheitsrelevante Funktionen realisieren. Wenn ein CBTC drahtlos funktioniert, dann kein Problem, es funktioniert auch mit diesem. Aber sollte zumindest für Sicherheitsaspekte ausgelegt sein (z. B. Watchdog, Paket-/Nachrichtenverlust, fehlende Antwort usw.).

Entschuldigung für den hochrangigen Ansatz, aber es sind 30 Jahre Arbeit mit Zügen und U-Bahnen: Es ist keine Raketenwissenschaft, aber einige Aspekte müssen mit einiger Sorgfalt behandelt werden.

Danke für Ihre Antwort. In Lösung 3 sprechen Sie von einem magnetischen Nahfeldsender, der innerhalb von 1 m vom mechanischen Koppler funktioniert. Wie soll das gehen? Kann man wirklich zweimal (vor und nach dem "toten" Waggon) genug Energie durch einen 1m Luftspalt übertragen, um am Ende noch ein brauchbares Signal zu haben? Ich hätte gedacht, Sie würden Ferritkerne benötigen, um den Fluss und maximal 1 mm Spalt zu formen, um die Verluste gering genug zu halten, damit nach dem 2. Luftspalt etwas erkennbar ist.
Sie können einfach zwei Spulen wie für die drahtlose Energieübertragung verwenden (um Energie zu übertragen, benötigen Sie ähnlich wie bei Elektrofahrzeugen eine kürzere Entfernung, und Sie würden den toten Wagen von benachbarten versorgen). Oder ein RX/TX-System wie Bluetooth oder ein 430/868-MHz-Kurzstreckenfunkgerät: Es funktioniert über 1 m (Lücke zwischen den Waggons). Das Radio TX/RX kann auch den toten Wagen umgehen, aber einige Tests sollten mit einem Mockup durchgeführt werden. Alle diese Lösungen benötigen etwas Modulation/Demodulation. (Natürlich benötigen Sie vorher eine gute Beschreibung der Szenarien und der Umgebung, um die Spezifikationen abzuleiten.)
Was Sie also im Grunde vorschlagen, wäre, eine aktiv betriebene Komponente an die Ersatzleitung "Bypass" anzuschließen und sie über einen induktiven resonanten trennbaren Transformator mit Strom zu versorgen, falls der Knoten im Wagen ausfällt, anstatt zu versuchen, ein Signal durch mehrere trennbare Impulstransformatoren zu leiten ?
Das ist eine gute Lösung, aber es hängt von der Menge an Leistung ab. Vielleicht können Sie unterbrechungsfreie Lasten trennen und über dieses System versorgen, während der Rest nur lokal über die Lichtmaschine versorgt werden kann. Eine Flachspule wie bei Elektrofahrzeugen kann gut funktionieren und sie können viel Leistung übertragen. -- Nur für Signale können Sie einen RX/TX auf Funkfrequenz verwenden und Sie können sogar den toten Wagen überspringen, da dies eine Strecke von maximal 30 m oder so wäre.
Wie bereits erwähnt, möchte ich nicht wirklich in der Lage sein, Signale über große Entfernungen zu senden, da dies viele zusätzliche Kopfschmerzen verursacht, wenn zwischen Signalen des benachbarten Waggons und anderen Signalen unterschieden werden muss. Ich würde es vorziehen, wenn es eine maximale Reichweite von weniger als 1 m hat. Vielleicht gibt es dafür eine Art bidirektionales NFC? Wenn der aktive Knoten in der Mitte des Wagens tatsächlich die Leistung des benachbarten Wagens hat, können 2 benachbarte, nicht funktionierende Wagen übersprungen werden, oder?
Zwei-Wege-NFC ist entweder mit Funkmodulen oder gekoppelten Spulen möglich, letztere liefern aber auch Strom. Leistung und Signal können wie bei Elektrofahrzeugen gemischt werden, mit etwas intelligenter Codierung (die Datenrate ist nicht hoch, wird aber verwendet, um z. B. das Laden auszuhandeln). Mit einem Radio darf man 1 toten Waggon ohne Nachschub überspringen (mit Codierung greift man nicht in benachbarte Gleise ein, aber ja, es ist komplizierter). Entscheidet man sich für ein kabelgebundenes System mit Spulen, können die Nebenwagen die Toten versorgen. Sie haben eine Grenze, die sich aus der Summe der Leistung für alle Totwagen links oder rechts durch 1 Spule ergibt.
„Oder ein Funksender, der auf 430 MHz, 868 MHz arbeitet.“ Das geht nicht. Sie müssten lizenzierte Bänder verwenden. Irgendwie schade, wenn der Zug nicht bremsen kann, nur weil in der Stadt, an der Sie vorbeifahren, ein Funkamateur ist :)
@Lundin [Teil2] CC1150 liefert bis zu 10 dBm, die normalerweise in 1-2 m verwendet werden, gelegentlich 25-30 m. Eine ziemlich gerichtete Antenne kann verwendet werden, da wir die gewünschte Richtung kennen (mehr oder weniger entlang der Spur). Es ist ein Funkgerät mit kurzer Reichweite, daher ist keine Lizenz erforderlich, und wir können Frequenzen am Rand des CC1150-Bands verwenden. Nun, dass ein Funkamateur in der Nähe ist, mit etwas so Schmutzigem, dass es in den Randbändern leckt, und das Folgen des Frequenzsprungs ist unwahrscheinlich. (Hinweis: CBTC arbeitet in einem für WiFi offenen Band, obwohl dann manchmal eine Frequenzverschiebung für zusätzliche Marge angewendet wird, wie in unserem Fall.)
[Teil 1] @Lundin Ich dachte an kurzlebige Funksender, wie den CC1150 von TI ( ti.com/product/CC1150 ), den ich eine Zeit lang benutzte. Natürlich könnte das verfügbare Band durch lokale Funkamateure oder durch Play-Ups mit tragbaren Sendern (am Rangierbahnhof, aber auf Reisen würde ich nein sagen) gesättigt sein, aber: Ich würde 2-FSK oder GFSK und Datenweißung verwenden; Frequency Hopping (selbstgemacht natürlich); Verhandlung und CRC, um einen falschen Empfang zu vermeiden. Die Zugbildung am Rangierbahnhof (der exponierteste) ist nicht streng sicherheitsrelevant und hw wird dem Bediener „ok“, „nicht ok“ sagen. [Ende von Teil 1]

Hauptsächlich wird die Lok den Waggons alle 100 ms mitteilen, dass sie nicht bremsen (Fail-Safe) oder *bremsen bei X% und die Waggons zurückmelden, dass sie alle noch da sind (Zugintegrität).

Ok, das ist sicherheitskritisch, also müssen Sie sich an einen funktionalen Sicherheitsstandard halten, IEC 61508 oder besser gesagt an den zugspezifischen Spawn-Off (ich erinnere mich nicht an die Nummer). Dies schließt eine ganze Reihe von Technologien aus - zum Beispiel ist Ethernet nicht echtzeitfähig und kann daher wahrscheinlich nicht verwendet werden. Sie können auch keine drahtlose Verbindung verwenden, es sei denn, die Verbindung wurde ausdrücklich für sicherheitskritische Anwendungen entwickelt.

Ich kenne mich in diesem Anwendungsbereich nicht so gut aus, aber es wird schon Standards dafür geben, also muss man das Rad nicht neu erfinden. https://en.wikipedia.org/wiki/Train_communication_network . Diese Seite schlägt etwas namens "MVB" oder alternativ CANopen vor. Der Hauptvorteil der Verwendung eines bestehenden Bussystems besteht darin, dass Sie eine Menge Aufwand bei der Konstruktion und Sicherheitsklassifizierung sparen. Sie werden auch Lösungen dafür haben, wie die Waggons miteinander verbunden werden können, was eines der Hauptprobleme des Projekts sein wird.

CAN-Bus klingt ziemlich ideal, wenn Sie das Problem der zuverlässigen Verbindung zwischen Waggons lösen können. Es ist sehr robust, Multi-Drop und die Entfernungen werden kein Problem sein. Redundanz kann leicht gelöst werden, indem zwei parallele Busse die gleichen Informationen senden.

Herzlichen Glückwunsch, dass Sie sich die Mühe gemacht haben, neue Lösungen für bestehende Probleme zu untersuchen. Auch wenn Ihre Bemühungen nichts Nützliches bringen, werden Sie etwas gelernt haben.

Mein Vorschlag ist, so etwas wie die drahtlose Verbindung ST60 (st.com) mit sehr kurzer Reichweite zu verwenden. Diese arbeiten mit 60 GHz und haben eine Reichweite im Zentimeterbereich und eine sehr schnelle Datenübertragung. Dies ist eine aufstrebende Technologie, also auf dem neuesten Stand (wie die Vorderkante, könnte aber einige Ecken und Kanten haben).

Ich würde mir vorstellen, dass Sie diese in eine Art Kopplung eingebettet haben, die Sie schnell verbinden und trennen könnten, was auch ein gewisses Maß an Abschirmung bieten würde, um ein Austreten des Funksignals zu verhindern (bei 60 GHz braucht dies nicht viel). Dann haben Sie einen Hinweis darauf, dass der Link gut ist.

Dann gibt es die Arbeit, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten, und Sie benötigen eine Form von Redundanz. Für die sekundäre Validierung könnten Sie RFID-Tags haben - dies würde bedeuten, dass sie zwei einigermaßen sichere Systeme fälschen müssten, damit ein Hack stattfinden kann. Dies würde die Wahrscheinlichkeit zu einer sehr kleinen Zahl machen.

Wenn Sie damit Millionen verdienen, schicken Sie mir natürlich meine 5%!

Beachten Sie, dass wir hier keine Produkte empfehlen sollen, daher der übliche Haftungsausschluss - ich bin nicht mit ST verbunden und habe dieses Produkt nicht verwendet. Der Link soll die Art der Technologie veranschaulichen.

Ist eine drahtlose 60-GHz-Verbindung mit einer ganzen Reihe von Elektronik- und Verarbeitungs-Overkills verbunden, wenn ein einfacher Transformator ausreichen könnte ?
Danke für die Idee @Kartman, ich nehme an, ich habe vergessen anzugeben, warum ich mich für passiv verkabelt statt für aktiv drahtlos entscheiden möchte: Sie müssen davon ausgehen, dass ein einzelnes Auto in einem engen Tunnel "tot" werden könnte. In diesem Fall funktioniert die drahtlose Nahbereichsübertragung nicht, da sie die tote Waggonlücke nicht überbrücken kann, während die drahtlose Fernübertragung möglicherweise Schwierigkeiten hat, um den Waggon herumzukommen, und die Möglichkeit hinzufügt, benachbarte Waggons während des Zugbaus zu verbinden.

So etwas wie ein koaxiales Ethernet?

Siehe hier https://en.wikipedia.org/wiki/10BASE2 , aber ich bin sicher, dass Sie unter Eisenbahnbedingungen andere Anschlüsse benötigen.

Sicher, es ist heute nicht mehr von großem Nutzen, hat aber die richtige Topologie für die Aufgabe.

  • Nur 2 Stifte zu pflegen.
  • Sie können Segmente und Geräte stapeln, solange das Ende richtig terminiert ist (der Terminator kann gleichzeitig als Kappe dienen).
  • "Tote" Geräte stören den Rest des Netzwerks nicht, solange das Kabel nicht beschädigt ist.
  • 10mBit/s reichen für eine Rückfahrkamera völlig aus und stellen dennoch keine harten Anforderungen an das Kabel
  • 100m / 300ft Reichweite - und das ist nicht wirklich eine harte Grenze und kann erweitert werden, wenn Sie nicht von Latenz besessen sind. Haben Sie längere Züge?

Was ein Problem sein kann: Beschädigen Sie ein Segment (kurz oder offen) und das gesamte Netzwerk fällt aus, nicht nur der Teil nach dem Schaden. Ein "toter" Waggon mag elektrisch tot sein, aber er muss zumindest richtig verkabelt sein, damit dies funktioniert.

Ich habe daran gedacht, die folgende Netzwerktopologie zu verwenden, um dies zu lösen: Netzwerktopologie

Fehlertolerante adressierbare LED-Streifen verwenden dieselbe Topologie, um einen toten Chip zu umgehen. Es klappt.

In den Kommentaren haben Sie mir gesagt, dass Ferrit sehr spröde ist. Auch die Perlen sind sehr klein. Welche Art von Verlusten und welche Art von Frequenzen wären mit einem ~10-mm-Mu-Blechkern möglich?

Die Verwendung exotischer und teurer Materialien wie Mumetall ist keine gute Idee.

Es gibt bereits ein großes Stück Eisen, das die beiden Züge verbindet, also würde ich als erstes versuchen, eine Spule entlang der grünen Linie zu wickeln:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Wickeln Sie dann eine Spule an der gleichen Stelle auf der anderen Seite des Kopplers. Zwei Spulen um ein Stück Eisen bilden einen Transformator, der zur Übertragung von Signalen verwendet werden kann. Messen Sie, welche Art von Kopplung Sie zwischen den beiden Spulen erhalten. Optimieren Sie die Anzahl der Umdrehungen und wählen Sie eine Frequenz aus. Es wird wahrscheinlich ziemlich niedrig sein, was in Ordnung ist.

Der Magnetkreis ist eine geschlossene Schleife und kehrt durch die Schienen zurück.

Wenn dies funktioniert, ist das Schöne daran, dass die magnetische Kopplung durch ein riesiges Stück Metall erfolgt, das sich bereits bewährt hat, anstatt durch winzige Spulen mit engen Toleranzen, die durch Vibrationen abgenutzt werden und getestet und neu gestaltet werden müssen, bis sie halten für eine Million Meilen, was Jahre dauern wird.

Das Protokoll sollte etwas wirklich Einfaches sein, wie langsames AM-moduliertes serielles Protokoll mit Fehlerprüfcode. Wirklich Low-Tech auf der physischen Ebene, aber mit intelligenter Software.

Dies löst nicht Ihr Problem "Wagen ohne Strom ablassen". Da die Frequenz jedoch niedrig ist, können Sie ein Relais verwenden, um die nicht mit Strom versorgte Platine zu umgehen. Wenn die Zuverlässigkeit des Relaisschalters ein Problem darstellt, kann ein Halbleiter-MOSFET-Relais mit Verarmungs-FETs ohne Ansteuerspannung eingeschaltet sein.

"Der Magnetkreis ist geschlossen und kehrt durch die Schienen zurück." - Ich mache mir darüber ein bisschen Sorgen, obwohl mein Hintergrund mit schnellen Transporten und altem Eisenbahnmuseumszeug zusammenhängt, also könnte ich völlig daneben liegen. Wenn der Zug eine isolierte Schienenverbindung überquert (was ich an Orten mit nicht trivialer Signalisierung wie Yards, Stellwerken und zwischen Blöcken erwarten würde) oder schlimmer noch, über der Verbindung angehalten wird, können Sie möglicherweise kein Signal empfangen allein durch die Schienenstoßkapazität. Dies könnte ein Problem sein, wenn die Waggonbremsen nicht gelöst werden können, sobald der Zug dort angehalten hat
Wenn die Kupplung mit einer weiteren mechanisch robusten Kupplung darunter verdoppelt werden könnte (die wahrscheinlich zusammen mit der vorhandenen Kupplung als eine Einheit schwingt), könnte dies eine Rückleitung erzeugen, scheint aber mechanisch kostspielig und komplex zu sein
Dies wäre eine magnetische Kopplung durch eine Spule, nicht kapazitiv. Es würde also wahrscheinlich eine etwas geringere Kopplung geben, wenn ein Wagen und der andere auf nicht verbundenen Schienen stehen. Aber beide Fälle sollten ein brauchbares Signal geben. Das müsstest du testen. Mir geht es darum, den Konstruktionsaufwand und die Kosten einer neuen zuverlässigen Signalkopplung zu umgehen. Ein paar Stunden Testen würden sich wahrscheinlich lohnen, auch wenn es nicht funktioniert.
Ja, sorry, kompletter Hirnfurz beim Tippen. Ich habe die Lückenlänge und die Permeabilitätszahlen für die Fugen nicht ohne Weiteres, daher stimme ich zu, dass weitere Tests erforderlich wären.

Ich verstehe, dass das Hauptproblem hier unzuverlässige Leiterkontakte sind. Ich würde die Drähte aber mit frequenzmodulierten Signalen verwenden. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, dass die Kapazität des Schmutzes seine Impedanz niedrig hält und die Signalisierung fortgesetzt wird. Da es sich um die physikalische Schicht handelt, wird ein grundlegendes Master-Slave-Schema die Mission erfüllen. Da die Transceiver-Schaltungen parallele Knoten auf der Leitung sind, dient der nicht funktionsfähige Waggon einfach als Teil der Leitung.

Für das Bremssystem gäbe es tatsächlich auch einen Backup-Mechanismus, der vielleicht als "Bremsausreißer" bezeichnet werden könnte, ich habe es mir nur ausgedacht :) Wenn der Wagen einen Beschleunigungssensor hat, ist es einfach, eine negative Beschleunigung zu erkennen und zu entscheiden Aktivieren Sie die Bremsen, was Runaway bedeutet, es sollte ausreichen, die Hauptlokomotive für das Bremsen von Runaway zu bremsen. Vielleicht würde der Wagen es vorziehen, diesen Modus als Fallback zu verwenden, wenn er sich entscheidet, der elektrischen Kommunikation nicht zu vertrauen.

wird das wahrscheinlich wirklich funktionieren?

Nein. Sie haben einen passiven Empfänger an einem Ende des „toten“ Autos und einen passiven Sender am anderen Ende des „toten“ Autos vorgeschlagen. Der passive Empfänger muss also nicht nur Informationen mit niedriger Datenrate empfangen, sondern auch genügend elektrische Energie, um die Übertragung am anderen Ende des Autos zu erreichen.

Es ist möglich, einen sehr leistungsstarken Sender an jeden Sender und einen sehr empfindlichen Empfänger an jeden Empfänger zu stellen, gekoppelt durch Ihr passives System für tote Autos: Satellitensysteme verfügen über diese Art von Technologie. Aber es funktioniert nicht einfach, und es kann nicht einfach funktionieren, indem man eine Ethernet-Buchse aufteilt und neu verdrahtet.

Netzwerkmagnetik: Informationen an einem "toten" Waggon in einem Tunnel vorbeibekommen
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