Labview auf eigener Hardware im digitalen Gleis von morgen

Bild 1: Lasermesstechnik überwacht kontinuierlich die Profilabweichung während dem Schleifen (links). Solange das Istprofil (blau = vor dem Schleifen) vom Sollprofil (schwarz) abweicht (rot = nach dem Schleifen), werden die Schleiftöpfe (rechts) nachgestellt. Schmid Elektronik

Wenn ein Zug entlang der Gleise oder über eine Weiche fährt, ist das Material, durch den Rad-Schiene-Kontakt von Stahl zu Stahl, einer hohen Dynamik ausgesetzt. Dies führt unweigerlich zum Verschleiß der Schieneninfrastruktur. Durch regelmäßige Inspektion und kontinuierliche Instandhaltung bleiben die Bahnschienen in einem ordnungsgemäßen Zustand. Die bisherigen Prozesse zeigen allerdings drei wesentliche Nachteile:

Erstens wird der Verschleiß von Weichen wie früher bei den Schienen auch heute noch meinstens mit mechanischen Lehren und damit qualitativ statt quantitativ überwacht. Das Fehlen von Fakten macht die Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) und die Berechnung des Verlaufs (Trending) praktisch unmöglich.

Der zweite Nachteil ist, dass das Wartungspersonal mit verschiedenen Messinstrumenten anrückt, die unterschiedliche Bedienkonzepte sowie Datenformate haben. Konsequenz: Zur Erzielung des Endergebnisses müssen die Daten manuell zum Beispiel mit Excel zusammengeführt werden. Drittens arbeiten die Rad- und Schienenleute häufig noch getrennt voneinander, das heißt, sie überprüfen jeweils ihren spezifischen Bereich. Jeder schaut sein Problem isoliert an, anstatt sich um den gesamten Rad-Schiene-Kontakt zu kümmern. Das in diesem Artikel vorgestellte Messkonzept hat Lösungen für alle drei Problemzonen und es federt dank seiner Datentransparenz auch den letztgenannten Rad-Schiene-Konflikt ab. Es besteht aus den folgenden drei Prozessen: Messtechnik (Measurement), Management und Wartung (Maintenance). Diese werden nachfolgend ausführlicher beschrieben.

Erfassung von Gleiszustandsdaten (Measurement)

Bild 2: Die Weichenmess-Strategie (links) ist von Betrieb zu Betrieb unterschiedlich. Mehr Messpunkte sind besser, aber auch teuer. Das Condition Monitoring (rechts) zeigt, welche Hotspots in welchem Intervall auftauchen. Schmid Elektronik

Eine Weiche weist mehrere Merkmale (Bild 2) auf, und seit den Siebzigern sind Methoden zum Vermessen und Analysieren bekannt. Viele Verkehrsbetriebe haben ihre eigenen Methoden zum Vermessen und Analysieren und verlassen sich auf ihre Erfahrung. Grundsätzlich gibt es in einer Weiche zwei sensible Zonen: Den Zungenbereich am Beginn der Weiche und den Herzstückbereich. Im Zungenbereich (Bild 3, links) simuliert das Messteam Worst-Case-Szenarien des Rad-Schiene-Kontaktes, um die Entgleisungssicherheit zu gewährleisten. Im Herzstückbereich (Bild 3, rechts) untersucht man die Übergabegeometrie des Rades von einem Schienenstrang an den nächsten.

Labview auf eigener Hardware im Handmessgerät

Bild 3: Im Weichenzungenbereich (links) prüft man, ob ein bis zur Grenze verschlissenes Rad (Lehre 1) aufsteigen und damit entgleisen kann. Im digital erfassten Herzstückbereich (rechts) untersucht man die Übergabe des Rades vom Stammgleis an das abzweigende Gleis. Schmid Elektronik

Der Railmonitor (Bild 4) ist ein laserbasiertes, mit Labview programmiertes Handmessgerät, das eine Weiche komplett erfassen und quantifizieren kann. Damit ist die digitale Zustandserfassung für Schieneninfrastruktur erst möglich. Aufgrund der Anforderungen wurde das Zbrain-System (Labview auf Mikrocontroller und DSP) gewählt:

Die Batterie soll im Feldeinsatz bis zu 7 Stunden reichen, das Gerätegewicht ist auf maximal 8 kg beschränkt und die Bootzyklen sollten maximal 3 Sekunden betragen. Das Gerät ist aus- und sofort wieder einschaltbar. Der Platzbedarf für die Elektronik sah maximal 60 × 100 × 7,5 mm³ vor.

Zum Einsatz kommt ein grafisch programmierbarer DSP auf einem spezifischen Hardware-Formfaktor. Dieses stellt den Prozess I/O für die geräteinterne Sensorik zur Verfügung, implementiert eine Schnittstelle zum Industriedisplay und Keyboard und sorgt sich um das Batteriemanagement. Die robuste IP65-Mechanik wurde in 3D entworfen, die meisten Alu-Teile sind aus dem Vollen gefräst. Aktuell sind die Daten noch über ein Speichermedium zu lesen. Für die nächste Generation ist eine Wi-Fi-Schnittstelle, ein 3G/4G-Modem und Assisted-GPS geplant. So lassen sich die Daten live vom Feld direkt in die Cloud transferieren.

Condition Monitoring (Management)

Bild 4: Die Messgeräte digitalisieren das Gleis mithilfe von Labview und senden die Daten in die Cloud. Das Condition-Monitoring findet die Störung, woraufhin die intelligente proaktive Wartung sie eliminiert. Schmid Elektronik

Das Ziel ist es, aus den Messdaten zuerst relevante Informationen, dann Wissen und schließlich Erfahrungen für den Wartungsprozess zu gewinnen. Die Schieneninfrastruktur altert abhängig von den Zugfrequenzen, -geschwindigkeiten und den Achslasten (Bild 2, rechts). Die gewonnenen Messdaten fließen in den Wartungsprozess ein und führen dank individuellen Instandhaltungsstrategien zu deutlich besseren Ergebnissen als mit dem herkömmlichen Gießkannenprinzip. Die Messungen lassen sich in einer Datenbank nach einem Netzplan (Stammdaten) strukturiert ablegen und die Fehler für jedes Merkmal über Ort und Zeit filtern. Von der Detailinformation für den Schienentechniker (Bild 3) bis zum einfachen Ampelsystem für Entscheidungsträger (Bild 2, rechts) stehen die Ergebnisse auf mehreren Ebenen live zur Verfügung.

Diese Software basiert zu 100 % auf Labview und entwickelte sich in den letzten zehn Jahren vom einfachen Analysewerkzeug zu einem datenbankorientierten Condition-Monitoring-System, welches heute weltweit zum Einsatz kommt. Für die nächste Generation ist eine Industrial IoT (IIoT) und cloudbasierte Lösung geplant, welche als Prototyp im chinesischen Guangzhou zum Einsatz vorgeführt worden ist. Der dortige Verkehrsbetrieb stellt sich ein digitales Schienennetz vor, das mit allen verwendeten Messgeräten und Wartungssystemen verknüpft ist. Die Ergebnisse sollen auf jeder Plattform verfügbar sein, vom PC über das Tablet bis zum Smartphone (Bild 5).

Intelligente Wartung (Maintenance)

Bild 5: Messdaten lassen sich nach einem Netzplan strukturiert ablegen, verarbeiten und mit PCs, Tablets oder Smartphones jedem stufengerecht zugänglich gemacht. Schmid Elektronik

Ist der Zustand der Schienen und Weichen durch Messtechnik und Analyse bekannt, erstellt der Verkehrsbetrieb Wartungspläne und beauftragt meistens externe Wartungsdienstleister. Diese rücken jeweils nachts aus und schleifen oder fräsen die Infrastruktur während der Betriebspausen wieder in den Neuzustand.

Zuerst bezieht man den aktuellen Zustand des Gleises aus der Cloud und plant anhand der Profilabweichungen die Schleifdurchgänge. Schließlich überwachen Laserscanner, die direkt nach den Schleiftöpfen angebracht sind, den Schleifprozess, bis das Schienenprofil wieder in etwa der Sollgeometrie entspricht (Bild 1). Damit lässt sich gezielt schleifen und die Anzahl der Durchgänge reduzieren. Die aus den Messergebnissen gewonnenen Stellgrößen gehen über CAN an die Schleiftopfregelung (Bild 1, rechts). Je nach Maschinentyp ist der Prozess auf einem Monitor über Wi-Fi in der Kabine oder auf Handhelds zu sehen.

System-On-Module im rauen Einsatz

Bild 6: Zwei Laserscanner sind mit dem Hauptrechner verbunden und durch einer Embedded-CPS-Plattform (CPS = Cyber-Physical-System) basierend auf dem SOM (oben rechts) gesteuert. Schmid Elektronik

Das Messsystem im intelligenten Schleiffahrzeug (Bild 1) besteht im Wesentlichen aus vier Komponenten:

• Zwei Lichtschnittsensoren, die mit 20 Hz und einer Punktwolke von 1500 Messpunkten mit einer Genauigkeit von 0,25 mm beide Schienenprofile simultan abtasten.
• Eine robuste Hauptsteuerung inklusive Messrechner mit dem NI System-On-Module.
• SSD-Harddrive und GPS-Modul im gefrästen IP65-Alugehäuse.
• Ethernet und Wi-Fi zum übergeordneten Leitrechner oder Anzeigedisplay und ein 3G/4G-Modul für die Anbindung an die Cloud.

Der Messrechner selber ist ein Derivat einer standardisierten CPS-Plattform. Er besteht aus einem NI System-On-Module, eingesteckt in ein Basisboard mit kundenspezifischer Hardware. Die Hardware, Software und Mechanik sollen zuverlässig und EMV-konform sein. Die Normengrundlage ist die DIN-EN-50126: Bahnanwendungen – Spezifikation und Nachweis der Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Instandhaltbarkeit und Sicherheit (RAMS).

Der Charme vom Graphical-System-Design-Ansatz in diesem Konzept besteht darin, dass dem bisher eher traditionell orientierten Schienenmarkt nun Technologien wie IIoT, Big/Smart Data und Cloud-Computing zur Verfügung stehen. Diese Begriffe und die damit verbundene Erwartungshaltung haben ihren Weg von der Industrie in die Bahntechnik längst gefunden. Auch in China, welches in den nächsten Jahren mehrere Städte mit neuen Tramsystemen und U-Bahnen ausrüstet. Im Vergleich zu Europa verfügt China noch nicht über eine langjährige Bahntradition, genießt aber, was die Digitalisierung angeht, den Vorteil der „grünen Wiese“.

Ein Partnernetzwerk, bestehend aus Autech, Zehnder und Schmid Elektronik hat ihre Strategie deshalb auf digitale Inspektion, Monitoring und Instandhaltung ausgerichtet. Es soll in einer ersten Phase die proaktive, vorausschauende Wartung ermöglichen. In einem zweiten Schritt steht die passende Vorgehensweise für jeden Infrastrukturbereich im Vordergrund. Damit handelt man nicht nur proaktiv aufgrund von Trendergebnissen, sondern nach einem fixen Plan. Das birgt das Potenzial, die Wartungskosten um bis zu 50 % zu senken und die Lebensdauer der Infrastruktur um bis zu 30 % zu verlängern.

(hag)