Siemens setzt NI CompactRIO, NI LabVIEW und NI DIAdem zur Untersuchung der Ursache gefährlicher Hochspannungstransienten ein

Ryan Parkinson, Siemens

"Der vielleicht größte Vorteil von CompactRIO ist die Kombination aus FPGA und Echtzeitprozessor. Die rekonfigurierbare FPGA-Hardware erreicht eine dem Oszilloskop vergleichbare Genauigkeit und Geschwindigkeit, während der Prozessor den dezentralen Betrieb verwaltet."

- Ryan Parkinson, Siemens

Die Aufgabe:

Untersuchung von Hochspannungstransienten an einer Stadtbahn, die zu vermehrten Betriebsausfällen führten

Die Lösung:

Erstellung eines robusten Langzeitüberwachungssystems auf Basis der Hardware NI CompactRIO, wobei das System Daten mehrerer Sensoren unter industriellen Umgebungsbedingungen mit unterschiedlichen Abtastraten aufzeichnen, synchronisieren und Echtzeitanalysen durchführen kann

Autor(en):

Ryan Parkinson - Siemens
Jacob Cassinat - Siemens

 

In den vergangenen drei Jahren traten bei einem unserer Kunden vermehrt Probleme mit den Stadtbahnen des Typs SD160 auf. Denver RTD, ein Bus- und Stadtbahnbetreiber im US-amerikanischen Denver, Colorado hat 170 Fahrzeuge von Siemens im Einsatz. Das Problem ließ sich auf einen Ausfall der Umrichter, die die Stadtbahn mit Energie versorgen, zurückführen. Zunächst wurden das Stromnetz von RTD und das Antriebssystem, das während des Bremsvorgangs Energie zurückspeist, als Fehlerquelle identifiziert. Aufgrund der hohen Kosten und der zeitaufwändigen Reparatur im Falle eines Stadtbahnausfalls musste der Fehler so schnell wie möglich identifiziert und behoben werden.

 

Vorabdiagnosen

Zunächst konnten Ingenieure bei RTD bestätigen, dass die Spannungspegel des Oberleitungssystems den Spezifikationen entsprachen. Eine Untersuchung vor Ort ergab, dass Hochspannungstransienten für die Ausfälle der Umrichter verantwortlich waren. Ein Test der Umrichter unter Laborbedingungen verursachte jedoch keine Ausfälle. Für anschließende Tests musste das Fahrzeug aus dem Beförderungsdienst genommen werden, um es mittels tragbarer Messgeräte manuell zu überwachen. Auch diese Methode erbrachte keine eindeutigen Ergebnisse, da die Hochspannungstransienten im System nur sporadisch auftraten. Es wurde deutlich, dass umfangreichere Tests an den Fahrzeugen während des Fahrbetriebs notwendig sein würden, um die tatsächlichen Ausfallbedingungen genau zu untersuchen.

 

Der Anbieter des Umrichters erstellte einen eigenen dezentralen Datenlogger, der dauerhaft auf einem der SD160-Fahrzeuge installiert wurde. Der Datenlogger speichert Spannungswerte des Systems in Form von Momentaufnahmen. Die so gewonnenen Messwerte halfen jedoch nicht bei der Fehleranalyse. Es zeichnete sich ab, dass umfassende Messdaten des gesamten Systems für eine Fehleranalyse nötig waren. Aufbauend auf den bisher gewonnenen Erkenntnissen sollte ein robustes, dezentrales Überwachungssystem über längere Zeit in eine Stadtbahn integriert werden.

 

Systemdefinition

Wir benötigten ein sehr flexibles und zugleich leistungsstarkes Überwachungssystem, das eine Vielzahl von Sensoren und Kommunikationsprotokollen der unterschiedlichen Teilsysteme unterbringen kann. Folgende Anforderungen wurden definiert:

 

  • Kontinuierliche Spannungsabtastung an mehreren Kanälen bei > 10.000 Hz zur Überwachung von sechs Eingängen für Hochspannungstransienten
  • Mindestens drei unterschiedliche konfigurierbare Sample-Raten, um die Datenrate zu optimieren und Speicherbedarf zu minimieren
  • Ein serieller Eingang, der Standardprotokolle nutzt, um eine Schnittstelle zur GPS-Antenne zu erhalten und Ortsangaben für Ereignisse bereitzustellen
  • Getriggerte Datenerfassung mit Datenpuffer vor dem Trigger-Ereignis, um den Speicherbedarf zu minimieren
  • Große Speicherkapazität
  • Videoverwaltung
  • Automatische Synchronisation aller Eingänge unabhängig von Datenrate oder -format
  • Automatische Downloads für die Fernwartung
  • Schwingungs- und Temperaturbetriebsbereiche, die für die Installation auf einem Bahnfahrzeug zulässig sind
  • Geringer Platzbedarf

 

Systemkonfiguration

Wir beschlossen, zwei Stadtbahnfahrzeuge mit CompactRIO-Modulen auszustatten, die auf Anhieb alle unsere Systemanforderungen erfüllten. Wir nutzten zwei verschiedene Fahrzeuge, um die gesammelten Daten zu vergleichen und zu beobachten, welche Wechselwirkungen zwischen den Fahrzeugen stattfindet. Dazu wurden Hochspannungswandler installiert und mit einer Reihe von Bahnkomponenten verbunden. Dabei legten wir den Fokus auf Bereiche, die sich vor und hinter den Leistungsaufnahmefiltern befinden. Dadurch konnten wir feststellen, ob die Spitzen vom Stromnetz oder von einem Teilsystem der Bahn stammten.

 

 

Programmierung mit LabVIEW

Das System allein wurde mit der Systemdesignsoftware NI LabVIEW und den Modulen LabVIEW Real-Time und LabVIEW FPGA programmiert. Der FPGA wurde für die Erfassung von hohen Spannungen, Strömen und die Fahrzeugdiagnose eingesetzt. Die Erfassung der GPS-Positionen und Fahrzeuggeschwindigkeiten, das Durchführen der täglichen Verwaltungsaufgaben und die Nachbearbeitung fanden auf der Real-Time-Ebene statt. Dank der automatisierten Aufbereitung der Daten auf Real-Time-Ebene konnten wir die gespeicherten Daten auf ca. 5 GB Daten pro Tag, bei einer Datenrate von 2 GB pro Stunde, reduzieren. NI bietet eine umfangreiche Datenbank mit bereits geschriebenem Programmcode an. Der Einsatz von GPS-Softwaremodulen und die strikte Verwendung von Vorlagen für die FPGA- und Real-Time-Programmierung gewährleisteten eine zügige Umsetzung des Projekts. Nach der Teilnahme an den Kursen LabVIEW-Grundlagen 1 und -Grundlagen 2 in San Diego wurden wir in nur wenigen Monaten zu erfahrenen Programmierern. Aufgrund des intuitiven Charakters von LabVIEW und früherer Programmiererfahrung konnte die Software in unter sechs Monaten vervollständigt und getestet werden.

 

Vorteile von CompactRIO

FPGA und Prozessor

Der vielleicht größte Vorteil von CompactRIO ist die Kombination aus FPGA und Echtzeitprozessor. Dank des rekonfigurierbaren FPGAs sind Daten- und Abtastraten erreichbar, die mit jenen moderner Oszilloskopen vergleichbar sind. Wir können Echtzeitberechnung und -ausgabe ohne Verzögerungen durch den Prozessor durchführen. Softwareentwickler können die volle Bandbreite der Flexibilität des Prozessors nutzen, um einen erweiterten und dezentralen FPGA-Betrieb zu erreichen und große Datensätze zu verwalten. Die gepufferten Daten können abgerufen und auf einem USB-Laufwerk gespeichert werden, so dass die Speicherkapazität des Systems mit der eines Laptops vergleichbar ist. Die GPS-Signale werden überwacht und aufgezeichnet. Skripte werden zur Nachbearbeitung und Vorbereitung der Daten für die Analyse ausgeführt. Es werden tägliche Routinen ausgeführt und jeden Abend können automatisierte FTP-Uploads auf einen Server erfolgen.

 

Robust und rekonfigurierbar

Das CompactRIO-Modul übertraf alle unsere Umgebungsanforderungen. Es eignet sich für einen Temperaturbereich von -40 °C bis 80 °C. Daher brachten wir die Einheit extern in einem Elektrofach unter. Der geringe Platzbedarf und die ausgezeichnete Schwingungs- und Stoßfestigkeit sorgten für eine einfache, semipermanente Installation.

 

CompactRIO lässt sich sehr gut benutzerspezifisch anpassen. Uns war bewusst, dass wir mehrere Untersuchungsphasen benötigen würden. Daher war die Möglichkeit, das System zu rekonfigurieren, um potenzielle Problembereiche einzugrenzen, ein bedeutender Vorteil. Nach vorab durchgeführten Spannungsanalysen stellten wir fest, dass uns die Untersuchung von zwei Stromsignalen weiterbringen könnte. Das Hinzufügen dieser zwei Signale war eine sehr einfache Aufgabe. Mithilfe eines CompactRIO-Moduls mit bei laufendem Betrieb austauschbaren Eingangsmodulen konnten wir fast jeden erdenklichen Eingang überwachen.

 

Datenzugriff

Das CompactRIO-Modul bietet verschiedene Datenzugriffsoptionen. Wir konnten entweder einen Router einsetzen, um mittels Wireless-Downloads über ein Netzwerk auf die Daten zuzugreifen, oder manuellen Zugriff über ein austauschbares USB-Laufwerk nutzen. Damit die Projektentwicklung übersichtlich blieb, implementierten wir anfangs noch keine Wireless-Downloads. Wir zeichneten Daten auf dem Flash-Laufwerk auf und ein Zugriff erfolgte einmal pro Woche. Dazu wurde das Programm abgeschaltet, das USB-Laufwerk entfernt und gegen ein neues ausgetauscht. Derzeit arbeiten wir mit RTD daran, tägliche automatisierte FTP-Übertragungen an einen Server zu implementieren. So würden wir Zeit sparen und einen schnelleren Zugriff die Daten erhalten..

 

Datenraten

Um die Transienten effizient zu messen und aufzuzeichnen, mussten wir eine Sample-Rate von > 10.000 Hz implementieren. Die Diagnosedaten für das Fahrzeug stehen nur jede Millisekunde zur Verfügung, daher ist eine Rate von 1000 Hz ausreichend. Eine dritte Abtastrate von 50 Hz kann ergänzt werden, falls Temperaturmesswerte benötigt werden. Der FPGA kann diese unterschiedlichen Raten leicht bewältigen und hält die Daten in einem Puffer fest. Eine vierte Rate von 1 Hz wurde für den GPS-Eingang benötigt. Ihre Handhabung übernahm der Echtzeitprozessor

 

Videoverarbeitung

Ein weiterer Vorteil von CompactRIO ist die Videoverarbeitung. Wir hatten ursprünglich geplant, die Videos mit dem FPGA des CompactRIO zu handhaben und aufzuzeichnen. Im Verlauf des Projekts stellten wir jedoch fest, dass das CompactRIO-Modul nicht die Pufferung bereitstellen konnte, die wir bei der spezifizierten Auflösung benötigten. Wir kauften einen DVR (Digital Video Recorder), trafen dann aber auf Schwierigkeiten bei der Synchronisierung des Videos über den DVR mit den Daten des CompactRIO. Beide Geräte hatten unterschiedliche interne Takte und aufgrund der natürlichen Taktabweichung konnten wir uns nicht darauf verlassen, dass sie das erforderliche Synchronisationsniveau erreichen würden. Die Lösung hier war simpel. Wir kauften ein bidirektionales Digitaleingangsmodul des Typs NI 9401 zur Einbindung in das CompactRIO-Chassis. Während das System die Spannungen aufzeichnet, führt der FPGA einen einfachen Algorithmus aus, um festzustellen, ob es zu einer Spannungstransienten kommt. Falls er eine solche findet, sendet er über das NI 9401 ein Binärsignal an den DVR. Das erfolgt in Echtzeit ohne Prozessorverzögerungen. Der DVR zeichnet das Binärsignal als Trigger mit der Videodatei auf. Somit müssen wir nur die Videodateien herunterladen, die aktive Trigger aufweisen. Das verringert den Speicherbedarf bei Videos und die Downloadzeiten. So können wir außerdem die Videodaten perfekt mit den Spannungs- und GPS-Daten auf dem CompactRIO-Modul synchronisieren, indem die Trigger aufeinander abgestimmt werden.

 

Datenanalyse mit DIAdem

Das Aufzeichnen von Daten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und in verschiedenen Formaten ist nur ein Teil der Herausforderung. Das Auswerten und effiziente Analysieren ist die andere. Die Datenanalysesoftware NI DIAdem bot sich als ideale Plattform für die Aufgabe der Analyse an.

 

DIAdem unterstützt die TDMS-Dateistruktur (Technical Data Management Streaming), die Vorteile für die Binärspeicherung bietet. DIAdem nutzt automatisch gespeicherte Metadaten für das zügige Öffnen, Durchsuchen, Verkleinern, Vergrößern und Verarbeiten extrem großer Dateien. Abbildung 3 zeigt im oberen Diagramm Hochspannungskanäle (es traten drei Transienten auf), im mittleren Geländedaten und in den unteren GPS-, Geschwindigkeits- und Diagnosedaten.

 

DIAdem unterstützt auch die automatisierte Datenauswertung durch ein Skript. Da wir unser Überwachungssystem über drei Monate betrieben, erzeugten wir hunderte Gigabyte an Daten und es war nicht möglich, jede Datei zu öffnen und manuell zu analysieren. Nachdem die kritischen Daten zur Bestimmung der Hauptursache ermittelt wurden, schrieben wir ein Skript, das jede Datei öffnete, nach kritischen Ereignissen durchsuchte und die Funde zusammenfasste (maximale Transientenereignisse, Dauer, Reaktionen des Notaggregats, den Verlauf von Ortsdaten usw.).

 

Fazit

Zum Abschluss unserer Studie stellten wir fest, dass Transienten im Stromverteilungsnetz unseres Kunden vorhanden sind, und identifizierten ihre Ursachen. Wir wiesen aber nach, dass diese Transienten innerhalb der geforderten Grenzen hinsichtlich Größenordnung und Dauer liegen. Die gefährlichen Transienten wurden im Umrichter erzeugt. Auf Grundlage dieser Angaben intensivierte unser Anbieter die Analyse des Umrichters im System weitreichender und begann mit der Behebung des Problems.

 

Wir arbeiten inzwischen an einem neuen Projekt in Portland, Oregon. Dort überwachen wir die Temperaturen von Bremsscheiben und die Drücke in Leitungen für Hydraulikflüssigkeit, um die Abnutzung der Scheiben zu untersuchen. Wir können dasselbe Programmlayout nutzen, das wir für das RTD-Projekt schrieben. Es waren nur einfache Änderungen bei der Sample-Rate, den Eingangskarten, der Eingangsskalierung und des Triggers für die Datenaufzeichnung nötig. Darüber hinaus profitieren wir von einigen Erkenntnissen aus den Tests in Denver. Nach den Erstinvestitionen für das Denver-Projekt waren die Kosten für das Rekonfigurieren und den erneuten Einsatz in Portland erheblich geringer und die Zeitachse wesentlich kürzer.

 

Informationen zum Autor:

Ryan Parkinson
Siemens

Abb. 1: CompactRIO-Installation im Antriebs- bzw. Notaggregatfach des Denver-Wagens 321
Abb. 2: Hochspannungswandler und Sicherungen im Denver-Wagen 321
Abb. 3: Seite der DIAdem-Analyse
Abb. 4: Hier sind Einzelbilder aufgezeichneter Videodateien zu sehen. Das linke Bild kommt vor dem auf der rechten Seite und stellt ein Lichtbogenereignis ähnlich der drei im obersten Diagramm in Abbildung 3 dar. Zur Verdeutlichung der Größenverhältnisse ist anzumerken, dass der Stromabnehmer, der sich am Oberleitungsdraht entlang bewegt, knapp 2 m breit ist.