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奥地利│智能转辙机

来源:现代城市轨道交通 作者:


如今,轨道交通的密度日益增加,对其可靠性、经济性和可用性提出了更高的要求。然而,可用于维护的时间却变得非常紧张。多年来,在预防性故障检测和基于状态的维护理念指导下,行业中主要使用的是诊断系统。随着数字化的发展和智能现场元器件的使用,为铁路运营商和基础设施公司提供了新的应用方法。Voestalpine Signaling Zeltweg GmbH公司一直在致力于开发此类产品,并应用传感器使转辙机更加智能化。


 



  

   

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转辙机智能化的手段




Voestalpine Signaling Zeltweg GmbH公司开发的数据记录器RML 4.0(SIM)专门为转辙机和液压动力传输系统设计,用于采集和无线传输海量的状态数据。它作为紧凑型设备直接安装在转辙机或者独立外壳中。这个无线智能诊断系统无需外部电源和额外的数据连接,而是使用蓄电池供电和移动数据传输技术。为了延长蓄电池寿命,此数据记录器在设计时考虑了节能方面的诸多因素,即所有组件和传感器的设计和操作都是为了实现整体节能理念。


根据所需的任务,数据记录器RML 4.0(SIM)可以在各种应用模式下运行:①电动液压转辙机的压力测量;②转辙机的机械转换力测量;③液压传动时的压力测量。 


传感器的模拟通道仅在转辙时开启,而且数据记录器上的诊断软件会对其进行评估。通常情况下,用于数据传输的集成调制解调器每天只开启1次,以传输存储的数据。但是,如果检测到异常,则会将数据立即转发出去。这与分散数据处理(边缘计算)的理念相符。 


该数据记录器除了能进行GSM信号强度和蓄电池电压等内部测量之外,还提供各种外部测量功能;通过功能各异的外部传感器,可以轻松实施压力测量、转换力测量及温度测量等。它有3个模拟输入端和4个数字输入端,可以在不同的模拟模式或数字模式下运行;此外,还有1个电压输出端,可设置为在每次测量之前由设备自身切换。


收集的数据存储在非易失性存储介质上。这些存储数据通过移动无线电通信网络发送到Roadmaster®中央服务器进行进一步处理。此外,该数据记录器装配有集成的低功耗2G调制解调器。不久之后,专门为物联网(IoT)开发的窄带物联网(NB-IoT)技术作为一种有效的无线电技术,将会应用到在此数据记录器中,从而使每个设备的单月数据量不超过500 KB。NB-IoT具有低功耗、低成本和高建筑物穿透率的特点,是低功率广域(LPWA)连接的首选。NB-IoT基本上使用了长期演进技术(LTE)标准中的所有安全机制。这意味着与其他LPWA技术在本质上不同,NB-IoT在身份验证和加密方面可提供更高级别的安全性。NB-IoT被视为5G技术的先驱,为未来5G网络奠定了基础。



数据记录器的配置通过空中固件升级(FOTA)来完成。因此,人们不必对硬件进行物理访问,即可实现对现场设备的更新和配置。在每次数据传输结束后,可以使用配置文件重新配置数据记录器,或者单独更改部分配置。配置文件保存在诊断服务器上,在数据传输开启时传输到数据记录器中并自动安装。



传感器和系统组件


在对电动液压转辙机进行诊断时,此紧凑型数据记录器和整个传感器系统会直接集成在转辙机中。根据2个压力传感器传输的数据,可以通过压差确定转辙过程中的力变化曲线。附加传感器用于(油箱或液压单元)液位测量。此外,四线连接的1个相位将用于监测转辙持续时间,并作为触发信号通知折叠式电流互感器对转换力曲线进行记录。折叠式电流互感器可以无接触地测量转辙机电机的工作电流。这种折叠式电流互感器的设计能够保证一次侧(电机电流)和二次侧(数据记录器)之间所需的安全性电流隔离。


如果在电动机械转辙机或电动液压转辙机中改装了该诊断系统,也可以用测力螺栓测量转换力。此时,将使用电子测力螺栓代替安装在道岔转辙机和锁闭系统之间的现有机械连接螺栓,该测力螺栓会在转辙过程中检测机械转换力。


 


借助其他的系统压力监控装置,可以预防性地检测压降,从而避免一定条件下的转辙机故障。


对于该数据记录器,还有值得重视的一点即系统的节能设计。该数据记录器由2块串联的19 Ah锂离子蓄电池供电。蓄电池寿命(考虑自放电)受到数据采集次数(转换次数和转换持续时间)或者检测到的异常次数的强烈影响。如果数据正常,则每天只向诊断服务器传输1次。然而,一旦检测到异常,就必须将异常数据立即传输给诊断服务器,因此,此种情况下要求更大的数据传输量。通常,1块蓄电池的寿命最长为5年。



标准和准则


该系统的设计和许可符合以下标准。

(1)电磁兼容性:EN 50121-1-2105/EN 50121-4-2015(铁路设施——电磁兼容性); 

(2)振动和冲击:EN 50125-3-2003(铁路设施——设备环境条件);

(3)温度:IEC/EN 60068-2-1,IEC/EN 60068-2-2(-33 ~  70℃)(环境试验)。



   

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应用和实践经验




数据记录器RML 4.0(SIM)已经在奥地利、德国、罗马尼亚、中国和泰国成功应用。 


集成诊断系统时,数据连接和电力供应起着关键作用。传统的诊断系统通常需要复杂的布线,用于电力供应以及实际测量过程。此外,数据传输也是通过电缆或附加的外部调制解调器来实现。使用由蓄电池供电的数据记录器和集成的机器对机器(M2M)通信,便不需要额外布线,从而将现场调试时间缩短到大约15 min。


   

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展 望




数据记录器RML 4.0(SIM)也可以改装到现有的道岔装置中。此外,此设备还能应用到其他铁路领域。目前,该系统主要用于监测和预测液压传动系统的压力。该预测可以反映系统压力短期和中期变化的趋势,对规划高质量的维护和维修措施有支持作用。



随后,该理念将应用于自动润滑系统。


如果将诊断数据反馈给制造商,则有助于制造商识别效果关系,从而不断地改进产品质量。如果通过具有唯一设备编号的二维码来识别组件, 则可以制定专门的有针对性的维护策略。这一方面有利于适度地控制投资成本,另一方面也有助于逐步优化所使用组件。


转辙机具有集成诊断功能是通过数字化使可靠性得到优化的关键步骤。目前,可以很容易地获得廉价且可靠的传感装置。在这种情况下,下一个发展目标就是智能道岔:除了道岔转辙机之外,还对道岔中所使用的所有关键组件进行监控。这可以避免在道岔上进行不必要的活动,因为在以时间为导向的维护理念中,这些活动已变得无足轻重。


   

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结 论




由于铁路交通的高要求,诊断系统如今已成为确保铁路基础设施可用性的重要组件。该系统可以持续监控所分配的铁路基础设施的状态,从而能够有针对性地调配资源和专业人员,有助于早期识别即将发生的故障,也能使诊断系统的应用具有经济效益。 


由蓄电池供电的数据记录器RML 4.0(SIM)上的诊断软件可以对收集的测量数据进行评估,因此,能够根据数据是否突破极限值来识别异常。根据评估标准,如果判定测量数据为正常,则将收集的测量数据临时存储在内部数据存储器中,并按照可自由选择的间隔将其无线传输到中央服务器。如果判定为异常,那么低功耗调制解调器会立即通过无线数据连接将相关数据传输到Roadmaster服务器,以便进一步分析。Roadmaster服务器会存储测量数据,并使之可视化;随后会通过相应的评估程序判定这些测量数据,并与参考值进行比较,从而能够有效且尽早地发现即将发生的故障。



参考文献

[1] Christian Fritz. Intelligenter Weichenantrieb[J]. Signal   Draht,2018,110(12):12-16.

[2] 智能转辙机[J]. 现代城市轨道交通,2019(7):118-120.