Flexible Anlagenüberwachung verbessert Verfügbarkeit der Schieneninfrastruktur

Noël Steentjes, Inspectation    

"Mit CompactRIO verfügen wir über eine anpassbare Standardplattform für die Überwachung der Schieneninfrastruktur, die es uns erlaubt, Markteinführungszeiten erheblich zu verkürzen und zugleich unsere Entwicklungskosten zu reduzieren."

- Noël Steentjes, Inspectation

Die Aufgabe:

Entwicklung und Einsatz eines vollständigen Systems für die Überwachung verschiedener elektromechanischer Anlagen innerhalb einer Schieneninfrastruktur zur Gewährleistung von Sicherheit und Zuverlässigkeit bei minimalen Ausfallzeiten

Die Lösung:

CompactRIO-Hardware und Systemdesignsoftware LabVIEW für den zügigen Einsatz eines flexiblen und dennoch standardisierten Überwachungssystems, das Kanäle mithilfe von GPS-Takten synchronisiert und Daten mittels 3G-Kommunikationskanälen an einen Server überträgt

 

Kurzfassung

Für die Überwachung verschiedener elektromechanischer Anlagen innerhalb einer Schieneninfrastruktur sollte ein vollständiges System entwickelt und eingesetzt werden, das Sicherheit und Zuverlässigkeit bei minimalen Ausfallzeiten gewährleisten sollte. Inspectation nutzte die Hardware CompactRIO und die Systemdesignsoftware LabVIEW für den zügigen Einsatz eines flexiblen und dennoch standardisierten Überwachungssystems, das Kanäle mithilfe von GPS-Takten synchronisiert und Daten mittels 3G-Kommunikationskanälen an einen Server überträgt.

 

 

Aktuelle Erkenntnisse zum Zustand der Infrastruktur

Eine zuverlässige Infrastruktur ist eine Voraussetzung für Bahnunternehmen, Flughafenbehörden, Stromnetzbetreiber und Industrieunternehmen gleichermaßen. Neben der regelmäßigen Überwachung von Anlagen durch das Vornehmen von Messungen sei, so Inspectation, auch der Trend relevant, Anlagen über einen längeren Zeitraum zu überwachen, um so Ausfälle zu einem frühen Zeitpunkt zu ermitteln. Daher begannen wir mit der Entwicklung unseres eigenen Online-Zustandsüberwachungssystems, FlexMonitoring, das zur Überwachung der Gleise, Relais, Weichen, Bahnübergänge und Signale in der Schieneninfrastruktur eingesetzt werden sollte. Das robuste, autonome und intelligente System versieht mehrere Ereignisse mit Zeitstempeln und misst eine Reihe von Signaltypen.

 

Zustandsüberwachung der Schieneninfrastruktur

Gleich zu Beginn des Entwicklungsprozesses erteilte das niederländische Eisenbahninfrastrukturunternehmen ProRail unserem Kunden VolkerRail einen Wartungsauftrag für einen großen Streckenabschnitt. Im Rahmen dieses Auftrags musste VolkerRail ein Minimum an Verfügbarkeit bzw. Betriebszeit der Schieneninfrastruktur garantieren. Sollte VolkerRail bessere Resultate erzielen als die zugesagte Betriebszeit, erhält das Unternehmen einen Bonus. Falls nicht, werden hohe Vertragsstrafen fällig. Wie VolkerRail die erforderliche Betriebszeit bereitstellen würde, war verhandelbar. Allerdings war es sinnvoll, ein Online-Zustandsüberwachungssystem an besonders kritischen Gleisen, Weichen und beschrankte Bahnübergängen zu installieren.

 

In einem Schienennetz können etliche Komponenten ausfallen, insbesondere folgende:

  1. Signale: Am häufigsten sind defekte Lichter. Daher wurde entschieden, alle Glühlampen durch LED-Leuchtmittel zu ersetzen.
  2. Weichen: Diese Gleiskonstruktion zum Übergang auf ein anderes Gleis umfasst mehrere Relais und Elektromotoren, mit denen Gleise nach links oder rechts umgestellt werden können.
  3. Signale bzw. Zugerkennungssysteme: Bei der geläufigen Methode mit Blocksignalen wird das Gleis in Abschnitte unterteilt, in denen überwachte automatisierte Kontrollvorrichtungen immer nur einen Zug in einem Block zulassen.
  4. Beschrankte Bahnübergänge: Hier handelt es sich um automatische Schranken zum Stoppen des Straßenverkehrs, die mit Relais, Elektromotoren und Signalen versehen sind.

 

Bei den letzten drei Komponenten haben Probleme häufig mechanische Ursachen, z. B. Steine auf den Weichen, alternde Relais, leitende Materialien auf den Gleisen im Herbst und Winter oder alternde Elektromotoren. Das Durchführen mehrerer Messungen und Überwachen im Verlauf der Zeit helfen uns dabei, Einblicke in den Zustand der Infrastruktur zu gewinnen. Indem wir Trends automatisch analysieren, sind wir in der Lage, eine Störung festzustellen und zu erkennen, noch bevor sie auftritt. Dann können wir das Wartungsteam über die wahrscheinlichste Ursache informieren, wodurch sich die Ausfallzeit während der Reparaturarbeiten verkürzt.

 

 

Voraussetzungen für das Online-System FlexMonitoring

Für den Aufbau von über 200 Überwachungseinheiten müssen im Wesentlichen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:

  • Robustheit: Die Schieneninfrastruktur ist hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) eine sehr raue Umgebung, was an den langen Leitungen, den Relaisschaltungen, den hohen Spannungen und den sich ein- und ausschaltenden Motoren liegt.
  • Kurze Markteinführungszeit: Die Überwachungssysteme mussten innerhalb eines Jahres eingesetzt und betriebsbereit sein.
  • Zu ihren Funktionen gehören verschiedene Sensoren wie Strom-, Temperatur- und digitale Pegel und das Messen der Sensoren bei unterschiedlichen Raten zwischen 2 kS/s bis 30 kS/s.
  • Das Online-Puffern von Sensordaten, die Online-Datenreduktion sowie die Bestimmung von Schlüsselparametern
  • Systemsynchronisation über GPS: Sensoren werden in einer Umspannstation verteilt und mit verschiedenen Einheiten für das Datenloggen verbunden; diese können auch miteinander verbunden sein.
  • eine einheitliche Software, die dezentral aktualisiert und konfiguriert werden kann
  • 3G-Anbindung zum Übertragen von Daten über Mobilfunknetzwerke an eine zentrale Datenbank
  • Überwachung des Systemzustands

 

Ein Server speichert alle Daten in eine Datenbank und enthält die Konfiguration für alle Einheiten und Kanäle. Die Überwachungseinheiten müssen dezentral aktualisiert und konfiguriert werden. Ein Teil der Daten wird zudem auf einem externen Server zur Verfügung gestellt, der den Endanwendern die Hauptschnittstelle zum System liefert. Auf diesem Server werden fortlaufend Abfragen ausgeführt, um Störungsmuster zu erkennen, Trends zu identifizieren und per Textnachricht Alarm- und Warnmeldungen an die Überwachungsteams zu senden.

 

 

Implementierung von FlexMonitoring

Für die Überwachungseinheiten entschieden wir uns für die Hardware CompactRIO. Die Überwachungssoftware basiert auf der Systemdesignsoftware LabVIEW. Wir haben uns auch andere Systeme für das Datenloggen und Überwachen angesehen. Allerdings stellten wir fest, dass kaum eines eine hohe Abtastrate bot oder, wenn sie denn Abtastraten bis zu 1 kS/s aufwiesen, ihnen ausreichende Pufferfunktionen fehlten, um die Daten später über 3G-UMTS-Netzwerke (Universal Mobile Telecommunications System) zu übertragen. Manchmal müssen unsere Systeme Abtastungen bei 5 kS/s oder sogar bei bis zu 30 kS/s durchführen. Daher war ein Industrie-PC bzw. NI CompactRIO die einzig praktikable Lösung. CompactRIO ist klein und robust und lässt sich mit vielen I/O-Signalen integrieren. In Kombination mit dem CompactRIO-Modul für 3G von SEA bietet es Funktionen zur GPS-Synchronisation und UMTS-Kommunikation.

 

Aufgrund der großen Bandbreite der I/O-Module und der rauen EMV-Umgebung in den Umspannstationen baten wir den National Instruments Alliance Partner INCAA Computer B.V., eine Schnittstellenkarte mit Eingangsschutzschaltungen für die I/O und einen Watchdog für uns zu entwickeln. Neben den Modulen der C-Serie von NI haben wir die GPS- und GPRS-Module von SEA verwendet, um Systeme zu synchronisieren und über Mobilfunknetze mit den Systemen für den Datentransfer und Fern-Upgrades zu kommunizieren.

 

 

Alle CompactRIO-Einheiten verwenden generische Software. Alle eingesetzten Systeme teilen sich dieselbe Software. Die Kanäle werden pro Installation mit dem Sensortyp, den Eigenschaften und den Messungen fernkonfiguriert. Alle Messungen sind ereignisgesteuert. Wenn ein Ereignis auftritt, z. B. eine Veränderung des digitalen Zustands oder der Spannung, beginnt die Aufzeichnung und die Daten erhalten über GPS einen Zeitstempel. Für jeden Kanal wird je nach Eigenschaften der Hardware ein Messszenario definiert. Bei manchen Ereignissen erfolgt eine Abwärtswandlung und Übertragung der Daten, sodass der Anwender die Form des Signals sehen und das Ereignis besser verstehen kann.

 

Mehrere Watchdog-Mechanismen zeichnen den Zustand des CompactRIO-Systems auf, darunter die Kommunikations- und GPS-Signalstärke, die Speichernutzung und die Schranktemperatur. Sollte ein Fehler auftreten, ist das System betriebssicher und setzt entweder das Kommunikationsmodem oder die CompactRIO-Einheit vollständig zurück.

 

 

Serverseitig empfängt eine LabVIEW-Anwendung die Daten und speichert sie in die SQL-Datenbank. Die Anwendung kann die CompactRIO-Einheiten aktualisieren und überwacht deren Zustand. Außerdem kann sie Rohdaten zur genaueren Analyse an Anwender schicken.

 

Zum Abschluss empfängt ein zweiter Server Daten und führt einen Webdienst aus, um dem Kunden die Daten darzustellen. Dieser Server beinhaltet andere Werkzeuge, etwa einen Taschenrechner, um Berechnungen mit den Daten durchzuführen, sowie ein Ereignisverarbeitungswerkzeug mit Alarmfunktion. Diese Werkzeuge führen ständig Abfragen durch und erkennen Signale, die den Teams für die Dauerüberwachung als Warnungen oder Alarmbedingungen angezeigt werden sollten. Die Teams und die Wartungsmannschaft können auch über SMS oder E-Mail informiert werden.

 

Fazit

Das System wird inzwischen verwendet und wir sind stolz darauf, dass wir innerhalb eines Jahres landesweit über 200 komplexe Überwachungssysteme entwickeln und einsetzen konnten. Wir entschieden uns für CompactRIO und LabVIEW, weil sie die Flexibilität bieten, alle notwendigen Sensortypen und Signalverarbeitungsalgorithmen zu integrieren, eine kurze Entwicklungszeit ermöglichen und wir mit der Software bereits vertraut waren. Wir prüfen weitere Anwendungsbereiche außer der Schieneninfrastruktur, z. B. Schifffahrtswege, und arbeiten an der Bereitstellung weiterer Messfunktionen, beispielsweise die Anbindung an SPSen und Bilderfassung.

 

Informationen zum Autor:

Noël Steentjes
Inspectation
Netherlands
info@inspectation.com

Bild 1: Eine Schieneninfrastruktur beinhaltet zahlreiche Anlagen, die für einen sicheren, zuverlässigen Transport überwacht werden müssen.
Bild 2: In Verbindung mit einem Metallgehäuse und entsprechend gestalteter Signalanbindung von INCAA Computer B. V. konnte der benötigte EMV-Schutz der IO des CompactRIO gewährleistet werden.
Bild 4: Die Überwachungseinheit während der Installation im Relaisschrank
Bild 5: Die Überwachungseinheit nach der Installation im Relaisschrank
Bild 6: Systemarchitektur