Die Firma PI Electronics AG aus Baden entwickelte für die Verkehrsbetriebe Zürich (VBZ) ein serienreifes Messsystem zur Aufzeichnung und Auswertung von mechanischen Schwingungen. Dazu wurden in einer ersten Phase Embedded Computer in fünf Trams installiert, welche die Daten von jeweils drei Sensormodulen sammeln und auswerten. Über eine 4G-Verbindung werden die ausgewerteten Daten an einen zentralen Server gesendet und dort der Instandhaltungsabteilung zur Verfügung gestellt.
Mechanische Schwingungen messen
Die Sensormodule sind jeweils oberhalb des Fahrwerks angebracht und messen des sen Vibrationen mit einer Samplingrate von 4kHz. Die von PI Electronics AG entwickelte Hardware setzt dabei auf ein kompaktes Modul, welches per SPI Schnittstelle mit einem Beschleunigungssensor kommuniziert. Der Datenaustausch mit dem Embedded Computer erfolgt über WLAN. Die Module sind mit einem Verbrauch von unter 0.5 Watt sparsam und brauchen ausser der Spannungsversorgung keine weiteren Anschlüsse.
Dezentrale Datenerfassung #IoT
Als zentraler Punkt im System dient ein Embedded Computer der Firma Syslogic, welcher speziell für die Anwendung im Bahnbereich entwickelt wurde. Dieser übernimmt neben der Erfassung der Messdaten auch die Auswertung und die Kommunikation zum zentralen Server. Mit dem integrierten GPS Modul der Schweizer Firma u-blox und einer externen, am Tram montierten 4G/GPS Kombiantenne, wird während der Fahrt kontinuierlich die Geschwindigkeit gemessen. Falls sich diese in einem definierten Bereich befindet, sendet der Embedded Computer einen UDP Broadcast an die Sensormodule. Dies ermöglicht ein synchrones Starten der Messung. Die Sensormodule zeichnen darauf die auftretende z-Beschleunigung auf und senden die Daten zurück an den Embedded Computer, welcher sie mit Zeit- und Positionsdaten ergänzt.
Zentrale Erfassung und Bereitstellung relevanter Daten
Die Analyse der Daten erfolgt jeweils am Ende des Tages. Dabei wird von jeder Messung eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) durchgeführt. Die Ergebnisse werden in Geschwindigkeitsbereiche eingeteilt und danach gemittelt. Die FFT Berechnung ermöglicht es, kritische Schwingungsamplituden zu ermitteln. Falls nun ein Wartungsbedarf festgestellt wird, löst dies automatisch eine Meldung via E-Mail aus.
Die ausgewerteten Daten werden über eine 4G-Verbindung an einen zentralen Server gesendet. Dort bietet ein Webinterface vom schnellen Überblick bis zur detaillierten Analyse alle wichtigen Informationen.
Bahnnormen müssen erfüllt werden
Damit die Sensormodule für den Einsatz zugelassen sind, müssen die relevanten Bahnnormen berücksichtigt werden. Unter anderem gilt es dabei die Normen «Elektronische Einrichtungen auf Schienenfahrzeugen» (EN 50155) und «Brandschutz in Schienenfahrzeugen» (EN45545) sowie IP65 zu erfüllen. Dies gilt für alle Komponenten von der Elektronik bis zum Gehäuse.
Bei der Wahl des DC-DC Konverters bietet die Schweizer Firma Traco ein ideales Produkt, welches diese Normen erfüllt. Der Konverter der Serie TMR 3WIR besitzt einen grossen Eingangsspannungsbereich von 9-36V und einen Temperaturbereich von -40°C bis +90°C. Er ist kurzschlusssicher, strombegrenzt und dies bei sehr kompakter Baugrösse und einem typischen Wirkungsgrad von 82%. Die Firma Bopla, Konzernschwester der Phoenix Mecano Komponenten AG, bietet ein speziell für den IoT Bereich entwickeltes Gehäuse an, welches die Bahnanforderungen vollumfänglich erfüllt. Es ist ausserdem preiswert, sehr kompakt und ermöglicht eine einfache Montage.
Einfache Systempflege
Über die 4G-Verbindung ist es auch möglich, Messparameter und Firmwareupdates für die Sensormodule bereitzustellen. Eine neue Firmware wird dabei zuerst auf den Embedded Computer geladen und danach automatisch als Over-the-Air-Update auf den Sensormodulen installiert. Mit diesem System ist es – zum Beispiel zu Testzwecken möglich – die Trams mit unterschiedlichen Messparametern oder Firmwareversionen auszustatten. Auch die Anzahl Sensormodule lässt sich problemlos erweitern.
Zukunftspläne
Die Rohdaten werden im standardisierten TDMS Format gespeichert. Sie enthalten neben den Messwerten auch Informationen zum Tram sowie die GPS-Daten zum Zeitpunkt der Messung. Damit lässt sich nicht nur der Wartungszeitpunkt bestimmen, sondern es eröffnen sich viele Möglichkeiten. So können zum Beispiel durch die Kombination von Messwert und Position Aussagen zum Schienenzustand gemacht werden. PI Electronics AG entwickelte für die Analyse dieser Rohdaten ein Tool, das an zukünftige Bedürfnisse angepasst werden kann.
Sensormodul ist vielseitig einsetzbar und erweiterbar
Es sind viele Anwendungsgebiete für kompakte, intelligente Module denkbar, welche mit diesem Konzept durch PI Electronics AG realisiert werden können. Auch andere physikalische Messgrössen wie Temperatur oder Druck sind mit Anpassung der Sensorik realisierbar.
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