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

Ryan Parkinson, Siemens

„Der wahrscheinlich größte Vorteil von CompactRIO ist die Kombination aus FPGA und Prozessor. Die rekonfigurierbare FPGA-Hardware erzielt Genauigkeit und Raten ähnlich derer, die wir mit Oszilloskopen hinbekommen würden, während der Prozessor den erweiterten und Netzwerkbetrieb verwaltet.“

– Ryan Parkinson, Siemens

Die Aufgabe:

Bestimmung der Quelle elektrischer Hochspannungstransienten, um den Ausfall von Straßenbahnwaggons zu verhindern.

Die Lösung:

Durch die Kombination der Vorteile des feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGA) und des Prozessors in der NI CompactRIO-Hardware entsteht ein robustes, semipermanentes Überwachungssystem, das mehrere Datenformate und -raten aufzeichnet, die Daten synchronisiert und Echtzeitanalysen zur Fernüberwachung von Sensoren in einer industriellen Umgebung für längere Zeiträume liefert.

Autor(en):

Ryan Parkinson – Siemens
Jacob Cassinat – Siemens

 

Die Verwaltung von Subsysteminteraktionen ist eine grundlegende Herausforderung für Systemintegratoren. Obwohl umfassende I/O-Grenzwerte definiert wurden, treten manchmal Fehler auf und es ist nicht klar, welche Subsystem-Interaktion das destruktive Element verursacht hat. Es ist schwierig, Ressourcen von Subsystemherstellern anzufordern, um ein Problem zu beheben, das nicht eindeutig von dessen Ausrüstung stammt. Beim isolierten Testen jedes Systems werden möglicherweise nicht alle Interaktionen berücksichtigt. In solchen Fällen ist der Systemintegrator am besten in der Lage, die relevanten Teile des Gesamtsystems zu überwachen, die Problemquelle zu isolieren und die entsprechenden Ressourcen zuzuweisen, um das Problem zu lösen. Die Siemens Rail Systems Division hat kürzlich die Aufgabe dieses Systemintegrators erfolgreich ausgeführt.

 

Über die letzten drei Jahre sah sich einer unserer Kunden mit einem wiederkehrenden Problem mit unseren SD160-Straßenbahngarnituren konfrontiert. Denver RTD, ein Bus- und Straßenbahnunternehmen in Denver, Colorado, hat 170 Siemens-Fahrzeuge im Einsatz. Diese Fahrzeuge werden von einem Oberleitungssystem (OCS) mit Strom versorgt, das wiederum Strom aus dem Stromverteilungsnetz von RTD erhält. Die Hilfsstromversorgungen (APS) an Bord jedes Fahrzeugs erhalten Strom vom OCS und bereiten ihn für die Verwendung durch die meisten anderen fahrzeugeigenen Subsysteme auf. Dieses APS hatte eine hohe Ausfallrate, die einen kritischen Ausfall für das Fahrzeug verursachte. Das Fehlerprotokoll meldete einen Hochspannungstransienten am Stromeingang des APS, was den Anbieter zu der Annahme veranlasste, dass entweder Denver RTD oder das Bordantriebs-Subsystem (das das APS während des elektrodynamischen Bremsens mit Strom versorgt) Strom außerhalb des akzeptablen Übergangsgrenze bereitstellte. Sowohl RTD als auch der Anbieter des Antriebsgeräts haben jedoch bestätigt, dass ihre Systeme keine solchen Transienten erzeugen dürften. Jeder Ausfall einer Straßenbahn war für Siemens und unseren Lieferanten extrem teuer und zeitaufwendig, und die Ausfälle führten zu Betriebsverzögerungen bei unserem Kunden. Wir mussten die Situation beobachten, die Ursache ermitteln und so schnell wie möglich eine Lösung finden.

 

Vorläufige Diagnosebemühungen

Anfänglich haben Ingenieure bei RTD geprüft, ob die OCS-Spannungspegel den Spezifikationen entsprechen. Anschließend bestätigten Ingenieure des APS-Anbieters Spannungstransienten, die zu Geräteausfällen beitragen könnten, obwohl das APS bei der Induktion dieser Transienten durch verschiedene Testroutinen immer wie vorgesehen funktionierte. Diese Prüfung erforderte die Entfernung des Fahrzeugs aus dem Fahrgastbetrieb, damit das Personal eine Überwachung mittels tragbarer Oszilloskope vornehmen konnte. Diese Methode war nicht schlüssig, da Hochspannungstransienten nicht sehr häufig auftreten und es unwahrscheinlich ist, dass während einer kurzen Testzeit ein seltener, schädlicher Transient auftritt. Es wurde deutlich, dass umfassendere Tests an im Betrieb befindlichen Fahrzeugen erforderlich waren, um die tatsächlichen Betriebsbedingungen genau zu charakterisieren.

 

Der APS-Hersteller hat einen eigenen Remote-Datenlogger zur dauerhaften Installation an einem SD160-Fahrzeug entwickelt. Er konnte Momentaufnahmen von Spannungsdaten auf Systemebene anfertigen, aber die Daten reichen nicht aus, um die Umgebungsumgebung und die Ursache der Transienten zu verstehen. Diese Ansätze halfen uns zu erkennen, dass wir das vollständige Bild sehen mussten, um das Problem zu diagnostizieren. Wir haben uns entschieden, auf diesen früheren Bemühungen aufzubauen und ein robustes Netzwerksystem zu entwickeln, um die Garnituren über längere Zeiträume zu überwachen, um das Problem zu finden und zu beheben.

 

Systemdefinition

Wir benötigten ein hochflexibles, aber dennoch leistungsstarkes Überwachungssystem, um die Vielzahl von Sensoren und Kommunikationsprotokollen der verschiedenen Subsysteme unterzubringen. Dabei haben wir folgende Anforderungen definiert:

  • Kontinuierliche Mehrkanal-Spannungsabtastung mit >10.000 Hz zur Überwachung von sechs Eingängen auf Hochspannungstransienten
  • Mindestens drei verschiedene konfigurierbare Abtastraten zur Optimierung der Datenrate jeder Signalklasse und Minimierung des Speicherbedarfs
  • Serieller Eingang mit Standardprotokollen zur Anbindung an die GPS-Antenne und zur Bereitstellung von Informationen zum Speicherort von Ereignissen
  • Echtzeitberechnungen zur Bereitstellung von Ausgangssignalen für die Interaktion mit den Sensoren
  • Aufzeichnung von Daten vor und nach dem Trigger (Ereignis) ohne Speichern von Nicht-Trigger-Daten zur Optimierung der Analyse und Minimierung des Speicherbedarfs
  • Große Speicherkapazität
  • Videoverwaltung
  • Alle Eingänge unabhängig von Datenrate oder Format automatisch synchronisieren
  • Automatische Downloads für erweiterten Betrieb mit minimalem Personalaufwand
  • Vibrations- und Temperaturbetriebsbereiche, die für den Einbau in ein Schienenfahrzeug zulässig sind
  • Kleiner Footprint für die Installation in einem elektrischen Raum

 

 

 

Systemkonfigurator

Wir entschieden uns, zwei Stadtbahnen mit CompactRIO- Modulen auszustatten, die zu unserer Überraschung alle unsere Systemanforderungen erfüllten. Wir haben zwei verschiedene Fahrzeuge verwendet, um die erfassten Daten zu vergleichen und die Interaktion zwischen den Fahrzeugen zu überwachen. Wir haben Hochspannungsmessumformer installiert und an mehrere Zugkomponenten angeschlossen, wobei wir uns auf Bereiche vor und nach den Leistungseingangsfiltern konzentriert haben. Dadurch konnten wir feststellen, ob die Transienten vom Stromnetz der RTD (Prefilter) erzeugt wurden oder ob die Transienten von einem Subsystem des Zugs (Postfilter) erzeugt wurden.

 

 

 

 

 

Programmierung mit LabVIEW

Wir haben unser System ausschließlich mit der Systemdesignsoftware NI LabVIEW unter Verwendung der Module LabVIEW Real-Time und LabVIEW FPGA programmiert. Wir haben den FPGA so programmiert, dass er hohe Spannungen, Ströme und Fahrzeugdiagnose erfasst. Wir haben den Prozessor so programmiert, dass er GPS-Standorte und Fahrzeuggeschwindigkeiten erfasst, eine tägliche Reinigung ausführt und eine Nachbearbeitung durchführt, die es uns ermöglichte, nicht Non-Trigger-Daten zu löschen und den Speicherbedarf zu minimieren, da wir alle 30 Minuten etwa 1 GB Daten aufzeichneten. Dank automatisierter Nachbearbeitung haben wir nur ca. 5 GB pro Tag gespeichert. NI verfügt über eine hervorragende Datenbank mit vorgefertigtem Programmcode. Das Einbinden von GPS-Softwaremodulen und allgemeinen Vorlagen für das FPGA- und Prozessorsoftware-Layout hat uns erheblich viel Zeit gespart. Dank der Teilnahme an den Kursen„LabVIEW-Grundlagen 1“ und „LabVIEW-Grundlagen 2“ in San Diego sind wir in wenigen Monaten von Anfängern zu fortgeschrittenen Programmierern geworden. Aufgrund der intuitiven Natur von LabVIEW und der bisherigen Programmierkenntnisse konnten wir die Software in weniger als sechs Monaten fertigstellen und testen.

 

Vorteile von CompactRIO

FPGA und Prozessor

Der wahrscheinlich größte Vorteil von CompactRIO ist die Kombination aus FPGA und Prozessor. Da der FPGA rekonfigurierbar ist, sind die erreichbaren Datenraten und die Sample-Genauigkeit mit den meisten modernen Oszilloskopen vergleichbar. Wir können Berechnungen und Ausgaben in Echtzeit ohne Prozessorverzögerungen vornehmen. Sobald die Daten mit Zeitstempeln versehen und gepuffert wurden, kommen die Prozessorvorteile zum Tragen. Softwareingenieure können die volle Flexibilität des Prozessors nutzen, um einen erweiterten und Netzwerk-FPGA-Betrieb zu erreichen und große Datensätze zu verwalten. Die gepufferten Daten können abgerufen und auf ein USB-Laufwerk geschrieben werden, wodurch die Speicherkapazität mit der eines Laptops vergleichbar wird. Das GPS-Signal wird überwacht und aufgezeichnet. Skripte werden ausgeführt, um eine Nachbearbeitung durchzuführen, um Nicht-Trigger-Daten zu löschen und um die Daten für die Analyse vorzubereiten. Tägliche Tasks werden ausgeführt und automatisierte FTP-Uploads auf einen Server können abends ausgeführt werden.

 

Robust und rekonfigurierbar

Das CompactRIO hat alle unsere Umweltanforderungen überschritten. Es lässt sich in einem Temperaturbereich von -40 °C bis 80 °C betreiben. Daher wurde das Gerät extern in einem elektrischen Gehäuse montiert. Aufgrund seines geringen Footprints und seiner hervorragenden Schwingungs-/Stoßfestigkeit ist eine einfache, halbständige Installation möglich.

 

CompactRIO ist hochgradig anpassbar. Wir wussten, dass wir mehrere Untersuchungsphasen durchführen mussten, und die Möglichkeit, das System neu zu konfigurieren, um potenzielle Problembereiche zu ermitteln, war ein wesentlicher Vorteil. Nach der vorläufigen Spannungsanalyse haben wir festgestellt, dass es sinnvoll ist, zwei Stromsignale zu überwachen. Das Hinzufügen dieser beiden Signale war eine sehr einfache Aufgabe. Mit einem CompactRIO mit austauschbaren Eingangsmodulen können wir fast jeden beliebigen Eingang überwachen.

 

Zugriff auf Daten

CompactRIO bietet mehrere Datenzugriffsoptionen. Wir haben die Möglichkeit, einen Router zu verwenden, um über drahtlose Downloads über ein Netzwerk auf die Daten zuzugreifen oder manuell über ein USB-Laufwerk auf die Daten zuzugreifen. Um die Projektentwicklung überschaubar zu machen, haben wir zunächst auf drahtlose Downloads verzichtet. Wir haben Daten auf dem Flash-Laufwerk aufgezeichnet und das Personal hat einmal pro Woche darauf zugegriffen, indem wir das Programm geschlossen und das USB-Laufwerk entfernt haben und es durch ein neues ausgetauscht haben. Wir arbeiten derzeit mit RTD zusammen, um tägliche automatisierte FTP-Übertragungen an einen Server zu implementieren, was Zeit spart und einen schnelleren Zugriff auf die Daten ermöglicht.

 

Datenraten

Um die Transienten effektiv zu messen und aufzuzeichnen, mussten wir eine Abtastrate von >10.000 Hz umsetzen. Fahrzeugdiagnosedaten stehen nur einmal pro Millisekunde zur Verfügung, so dass eine Rate von 1.000 Hz ausreichend ist. Wenn Temperaturmessungen erforderlich sind, kann eine dritte Abtastrate von 50 Hz hinzugefügt werden. Der FPGA eignet sich leicht für diese unterschiedlichen Raten und schreibt die Daten in einen Puffer. Für den GPS-Eingang wurde eine vierte Rate von 1 Hz benötigt, die vom Prozessor verarbeitet wurde.

 

Videoverarbeitung

Ein weiterer Vorteil von CompactRIO ist die Videoverarbeitung. Wir hatten ursprünglich geplant, das Video auf dem CompactRIO-FPGA zu verarbeiten und aufzuzeichnen. Im Laufe des Projekts stellten wir jedoch fest, dass das CompactRIO das erforderliche Puffern bei der angegebenen Auflösung nicht bewältigen konnte. Wir haben einen digitalen Video-Recorder (DVR) gekauft, aber dann hatten wir Schwierigkeiten, das Video im DVR mit den CompactRIO-Daten zu synchronisieren. Sie hatten unterschiedliche interne Takte. Aufgrund der natürlichen Verschiebung der Takte konnten wir uns für unser erforderliches Synchronisierungsniveau nicht auf sie verlassen. Die Lösung hier war einfach. Wir haben ein bidirektionales Digitaleingangsmodul NI 9401 zum Anschließen an das CompactRIO-Chassis erworben. Während das System die Spannungen protokolliert, führt der FPGA einen einfachen Algorithmus aus, um festzustellen, ob ein Spannungstransient aufgetreten ist. Wenn ein solcher erkannt wird, wird über das NI 9401 ein binäres Signal an den DVR geschickt. Dies geschieht in Echtzeit ohne Prozessorverzögerungen. Der DVR protokolliert das binäre Signal als Trigger mit der Videodatei. Daher müssen wir nur die Videodateien herunterladen, die aktive Trigger anzeigen, wodurch die Zeit zum Speichern und Herunterladen von Videos verkürzt wird. Dadurch können wir die Videodaten auch perfekt mit den CompactRIO-Spannungs- und GPS-Daten synchronisieren, indem wir die Trigger aufeinander ausrichten.

 

Analysieren von Daten mit DIAdem

Die Aufzeichnung von Daten mit verschiedenen Raten und Formaten stellt nur eine Hälfte der Herausforderung dar; die andere Hälfte liegt im Verständnis und der effektiven Analyse der Daten. Die Datenanalysesoftware NI DIAdem stellte die ideale Plattform für die Analyseaufgabe dar. 

 

DIAdem unterstützt die Dateistruktur Technical Data Management Streaming (TDMS), die Vorteile bei der binären Speicherung bietet. DIAdem verwendet automatisch gespeicherte Metadaten, um sehr große Dateien zu öffnen, in ihnen zu navigieren, zu zoomen und Berechnungen durchzuführen. Abbildung 3 zeigt Hochspannungskanäle im oberen Diagramm (drei Transientenereignisse), Höhen im mittleren Diagramm und GPS-, Fahrzeuggeschwindigkeits- und Diagnosedaten im unteren Diagramm. 

 

DIAdem unterstützt auch Skripte. Da wir unser Überwachungssystem mehr als drei Monate lang betrieben haben, erzeugten wir Hunderte von Gigabyte an Daten und es war nicht möglich, jede Datei zu öffnen und manuell zu analysieren. Nachdem wir die kritischen Daten ermittelt haben, die zur Feststellung der Ursache der Transienten notwendig waren, haben wir ein Skript geschrieben, mit dem jede Datei geöffnet und nach kritischen Ereignissen durchsucht wird und haben die Ergebnisse zusammengefasst (maximale Transientenereignisse, Dauer, APS-Reaktionen, Trenddaten zu Standorten usw.). 

 

Fazit

Am Abschluss unserer Ermittlung haben wir festgestellt, dass Transienten im Stromverteilungsnetz unseres Kunden vorhanden sind. Wir haben auch deren Ursachen festgestellt. Zugleich haben wir jedoch ermittelt, dass diese Transienten innerhalb der erforderlichen Grenzwerte für Schwingbreite und Dauer liegen. Wir haben festgestellt, dass die schädlichen Transienten im APS erzeugt wurden. Anhand dieser Informationen hat unser Anbieter sein System sofort weiter untersucht und ist der Auffassung, dass er die Grundursache erkannt und das Problem nunmehr behoben hat.

 

Momentan arbeiten wir an einem neuen Projekt in Portland, Oregon, wo wir die Temperatur der Bremsscheibe und den Druck der hydraulischen Flüssigkeit überwachen, um den Verschleiß von Bremsscheiben zu untersuchen. Wir können dasselbe Programm-Layout verwenden, das wir für das RTD-Spannungstransientenprojekt geschrieben haben, nur mit einfachen Änderungen an der Abtastrate, den Eingangskarten, der Eingangskalierung und am Trigger zur Aufzeichnung von Daten. Darüber hinaus setzen wir einige der Erkenntnisse aus unseren Tests in Denver um. Nach unserer anfänglichen Investition in das Projekt in Denver sind unsere Kosten und Zeitplan für die Neukonfiguration und die erneute Bereitstellung in Portland erheblich geringer.

 

Informationen zum Autor:

Ryan Parkinson
Siemens

Abbildung 1: Halbpermanente Installation von CompactRIO im Antriebs-/APS-Abteil des Fahrzeugs 321 in Denver
Abbildung 2: Installation von Hochspannungsmessumformern und Sicherungen im Fahrzeug 321 in Denver
Abbildung 3: DIAdem-Analysis-Seite
Abbildung 4: Frames aus aufgezeichneten Videodateien. Der Frame auf der linken Seite geht dem Frame auf der rechten Seite voraus und zeigt ein Lichtbogenereignis ähnlich den drei im oberen Diagramm von Abbildung 3 gezeigten. Um der Darstellung ein Verhältnis zu verleihen: Der Arm (Pantograph), der an der Oberleitung entlanggleitet, ist 6,5 m breit.