灵活​的​资产​监测​系统​可​提高​铁路​基础​设施​的​可用性

Noël Steentjes, Inspectation    

"NI CompactRIO​为​我们​提供​了​可​定制​的​现成​平台​来​监​控​铁路​基础​设施,​在​大大​减少​了​上市​时间​的​同时,​降低​了​我们​的​开发​成本。" ​

- Noël Steentjes, Inspectation

挑战:

开发​并​部署​一​款​完整​的​系统,​以​监​控​铁路​基础​设施​中​不同​的​机电​资产,​在​确保​可靠性​和​安全​性的​同时​最大​程度​减少​停​机​时间。 ​

解决​方案:

使用​NI CompactRIO​硬件​与​NI LabVIEW​系统​设计​软件​来​快速​部署​灵活​而​标准​的​监测​系统,​该​系统​可​通过​GPS​时钟​同步​多个​通道​并​通过​3G​通信​通道​向​服务​器​传输​数据。 ​

 

关于​基础​设施​状态​的​现有​认识

对​铁道​局、​机场​管理局、​电​网​运营​商​及​工业​公司​而言,​基础​设施​的​可靠性​都是​一个​主要​关注​点。 除了​通过​测量​定期​检查​资产​之外, Inspectation能够​监测​资产​的​长期​趋势,​从而​及早​确认​故障。 因此,​我们​开始​开发​自己​的​在​线​状态​监测​系统​FlexMonitoring,​用于​铁路​基础​设施​的​轨道、​继电器、​岔道、​平交道​口​和信​令​监测。 这个​坚固​的​自主​智能​系统​能够​记录​多个​事件​的​时间​戳​并​测量​各种​信号​类型。

 

 

铁路​基础​设施​状态​监测

在​我们​开始​开发​该​系统​后​不久,​荷兰​铁路​拥有​者​ProRail​与​我们​的​客户​VolkerRail 签订​了​大​面积​范围​的​维护​合约。 为此,​VolkerRail​需要​保证​铁路​基础​设施​的​最低​可用性​或​正常​运行​时间。 如果​实际​正常​运行​时间​高于​所​承诺​的​正常​运行​时间, VolkerRail​将​获得​奖金;​否则​将​承担​高​额​罚款。 VolkerRail​如何​交付​所​要求​的​正常​运行​时间​是​可以​协商​的,​但在​重要​轨道、​道岔​和​平交道​安装​在​线​状态​管理​系统​是​势在必行​的。

 

在​铁路​网​中,​有​几个​方面​易​于​出​故障,​尤其是​以下​几​项:

  1. 引导​标识​——​最​常见​的​故障​为​灯光​不​完整,​因此​我们​决定​将​所有​灯泡​换​成​LED​灯光
  2. 道岔​——​也​称为​尖​轨​或​转换​道​(将​火车​引入​铁轨​分叉​部分​的​方式),​其中​包含​几个​继电器​和​电动机,​将​分叉​轨道​向左​或​右​移动。
  3. 信​令​或​列车​检测​系统​—— 通过​区间​闭塞​信号​将​铁轨​分为​几个​区域​的​常见​方法,​在​这些​区域​中,​无论​任何​时间,​受​保护​的​自动​控制​系统​仅​允许​一​列​火车​通过​一个​闭塞​区间。
  4. 平交道​——​停止​铁路​通行​的​自动​路障,​包含​继电器、​电动机​和​引导​标识。

 

对于​后面​三​个​方面,​故障​通常​由​机械​因素​引起,​如​道岔​上有​石头、​继电器​老化、​秋冬​季节​铁轨​上有​导​电​材料​或​电动机​老化。 通过​进行​各种​测量​以及​长​时间​监测,​我们​就​可以​了解​基础​设施​的​状态。 通过​自动​趋势​分析,​我们​可以​在​故障​发生​之前​确定​和​检测​故障,​然后​通知​维护​团队​最有​可能​的​根本​原因,​由此​可以​减少​修理​工作​所需​的​故障​停​机​时间。

 

 

在​线​FlexMonitoring​系统​的​要求

如果​对于​包含​超过​200​个​监测​单元​的​设施,​我们​认为​以下​要求​最为​重要:

  • 坚固​性​——​由于​电缆​较​长​以及​继电器​切换、​高压​和​电动机​不停​开关,​铁路​基础​设施​通常​处​在​恶劣​的​电磁​环境​中。
  • 上市​时间​短​——​管理​系统​必须​在​一年​内​部署​并​运行
  • 集成​各种​传感器​(如​电流​传感器、​温度​传感器、​数字​水准​仪)​以及​以​2 kS/​s 到 30 kS/​s​的​速率​测量​传感器​的​能力
  • 在​线​缓​存​传感器​数据、​在​线​数据​还原​和​关键​参数​确定
  • GPS​系统​同步​——​传感器​分布​在​变电​站​内,​并​连接​不同​的​记录​单元,​但​这些​记录​单元​相互​之间​可能​相互​关联
  • 所有​单元​使用​同​一个​软件​栈,​可​远程​升级​并​单独​配置
  • 3G​连接,​将​数据​通过​蜂​窝​网络​传输​给​中央​数据库
  • 系统​健康​管理

 

服务​器​将​所有​数据​储存​在​数据​库​中,​包含​了​所有​单元​和​通道​的​配置。 监测​单元​需要​远程​更新​和​配置。 此外,​向​最终​用户​的​系统​提供​主​接口​的​外部​服务​器​也​可​使用​相关​的​数据​子​集。 该​服务​器​持续​进行​查询,​以​检测​事件​故障​模式、​显示​趋势​并​向​监管​团队​发出​文本/​短信​警报。

 

 

FlexMonitoring​的​实现

对于​监测​单元,​我们​决定​使用 CompactRIO 硬件​并以 LabVIEW 系统​设计​软件​为​基础​开发​监测​系统。 我们​研究​过​其他​数据​记录​器​和​监测​系统,​但​发现​其中​大部分​无法​提供​足够​高​的​采样​速率,​而且​即使​采样​速率​达到​1 kS/​s,​也没有​足够​的​缓​存​能力​来​通过​3G​通用​移动​通信​系统​(UMTS)​网络​传输​数据。 有时,​我们​的​系统​可能​需要​达到 5 kS/​s,​甚至​是 30 kS/​s。​因此,​工业​PC​或​NI CompactRIO​是​唯一​可行​的​方案。 CompactRIO​体积​小巧​且​坚固,​可以​集成​许多​I/​O​信号。 而且​如果​结合​SEA CompactRIO 3G 模​块,​即可​实现​GPS​同步​和​UMTS​通信​能力。

 

由于​I/​O​模​块​的​带​宽​较​宽,​且​变电​站​的​电磁​环境​较​为​恶劣,​我们​请​NI​联盟​伙伴 INCAA Computer B.V. 开发​一种​带有​I/​O​输入​保护​电路​和​监​控​器​的​接口​板​卡。 除了​NI C 系列​模​块,​我们​还​使用​SEA GPS​和​GPRS​模​块​来​同步​系统​并​通过​无线​蜂​窝​网络​与​系统​进行​通信​来​实现​数据​传输​和​远程​升级。

 

 

所有​CompactRIO​设备​的​软件​是​通用​的。 所有​部署​的​系统​采用​相同​的​软件。 每次​安装​时,​通道​均可​根据​传感器、​特性​和​测量​类型​进行​远程​配置。 所有​测量​均​是​由​事件​驱动。 当​某一​事件​发生​时,​如​数字​状态​改变​或​压力​改变,​数据​记录​就​会​被​触发,​数据​通过​GPS​时钟​进行​时间​戳​标记。 每​个​通道​的​测量​情境​取决​于​硬件​特性。 对于​某些​事件,​数据​会​经过​下​采样​后​传输,​这样​用户​就​可以​查看​信号​的​形状,​更好​地​理解​该​事件。

 

几个​监​控​装置​负责​记录 CompactRIO​系统​的​健康​和​状态,​包括​通信​和​GPS​信号​强度、​内存​使用​和​控制​柜​温度。 如果​发生​错误​(这种​可能性​非常​小),​系统​会​自动​防止​故障​并​完全​重​置​通信​调制​解调​器​或​CompactRIO​设备。

 

 

在​服务​器​端, LabVIEW​应用​程序​负责​接收​数据​并​将​其​储存​在​SQL​数据​库​中。 应用​程序​可​升级​CompactRIO​设备​并​监测​其​健康​状态。 同时​还​可​将​原始​数据​发送​给​用户​以便​进行​详细​的​分析。

 

最后,​另​一个​服务​器​负责​接收​数据​并​运行​web​服务​来​为​客户​显示​数据。 该​服务​器​包含​不同​工具,​包括​用于​数据​运算​的​计算​工具​及​带有​警报​的​事件​处理​工具。 这些​工具​连续​运行​查询​并​检测​那些​作为​警报​或​报警​条件​全天候​向​监​控​团队​显示​的​信号。 监管​团队​和​维护​人员​也​可​通过​短信/​文本​信息​或​电子​邮件​收到​通知。

 

结论

该​系统​现​已​上线​运行,​我们​非常​自豪​能够​在​一年​内在​全国​开发​并​部署​超过​200​个​复杂​的​监测​系统。 我们​选择 CompactRIO 和 LabVIEW 的​原因​是​它们​可​灵活​连接​所有​必需​传感器​类型​和​信号​处理​算法,​开发​时间​短​且​我们​对​该​软件​较​为​熟悉。

 

我们​正在​研究​除​铁路​基础​设施​之外​其他​应用​领域,​如​航运,​并​尝试​添加​其他​测量​类型,​如​可​编​程序​逻辑​控制器​连接​及​图像​采集。

 

作者​信息:

Noël Steentjes
Inspectation
​Netherlands
info@inspectation.com

​ ​图​1.​铁路​基础​设施​包含​的​许多​资产​需要​进行​监测​才能​确保​安全、​稳定、​可靠​的​运输​(来源:​维基​百科) ​
​ ​图​2. 如果​在​金属​外壳​内​使用​CompactRIO,​则​强​电磁​环境​下​的​I/​O​保护​通过​INCAA Computer B.V.​的​PCB​设计​实现,​I/​O​连接​端​口​位于​最​上方 ​
​ ​图​3. 监测​装置​包含​CompactRIO​硬件 ​
​ ​图​4. 安装​过程​中​继电器​柜​的​监测​装置 ​
​ ​图​5. 安装​后​继电器​柜​中的​监测​装置 ​
​ ​图​6.​系统​架构 ​