"NI CompactRIO為我們提供了可定制的現(xiàn)成平臺來監(jiān)控鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，在大大減少了上市時間的同時，降低了我們的開發(fā)成本。"- Noël Steentjes, Inspectation 

挑戰(zhàn):

開發(fā)并部署一款完整的系統(tǒng)，以監(jiān)控鐵路基礎(chǔ)設(shè)施中不同的機電資產(chǎn)，在確?？煽啃院桶踩缘耐瑫r最大程度減少停機時間。

解決方案:

使用NI CompactRIO硬件與NI LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計軟件來快速部署靈活而標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過GPS時鐘同步多個通道并通過3G通信通道向服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)。

作者:

Noël Steentjes - Inspectation

關(guān)于基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)的現(xiàn)有認(rèn)識

對鐵道局、機場管理局、電網(wǎng)運營商及工業(yè)公司而言，基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性都是一個主要關(guān)注點。 除了通過測量定期檢查資產(chǎn)之外， Inspectation能夠監(jiān)測資產(chǎn)的長期趨勢，從而及早確認(rèn)故障。 因此，我們開始開發(fā)自己的在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)FlexMonitoring，用于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的軌道、繼電器、岔道、平交道口和信令監(jiān)測。 這個堅固的自主智能系統(tǒng)能夠記錄多個事件的時間戳并測量各種信號類型。

鐵路基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測

在我們開始開發(fā)該系統(tǒng)后不久，荷蘭鐵路擁有者ProRail與我們的客戶VolkerRail 簽訂了大面積范圍的維護合約。 為此，VolkerRail需要保證鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的最低可用性或正常運行時間。 如果實際正常運行時間高于所承諾的正常運行時間， VolkerRail將獲得獎金；否則將承擔(dān)高額罰款。 VolkerRail如何交付所要求的正常運行時間是可以協(xié)商的，但在重要軌道、道岔和平交道安裝在線狀態(tài)管理系統(tǒng)是勢在必行的。

在鐵路網(wǎng)中，有幾個方面易于出故障，尤其是以下幾項：

引導(dǎo)標(biāo)識——最常見的故障為燈光不完整，因此我們決定將所有燈泡換成LED燈光
道岔——也稱為尖軌或轉(zhuǎn)換道（將火車引入鐵軌分叉部分的方式），其中包含幾個繼電器和電動機，將分叉軌道向左或右移動。
信令或列車檢測系統(tǒng)—— 通過區(qū)間閉塞信號將鐵軌分為幾個區(qū)域的常見方法，在這些區(qū)域中，無論任何時間，受保護的自動控制系統(tǒng)僅允許一列火車通過一個閉塞區(qū)間。

平交道——停止鐵路通行的自動路障，包含繼電器、電動機和引導(dǎo)標(biāo)識。
對于后面三個方面，故障通常由機械因素引起，如道岔上有石頭、繼電器老化、秋冬季節(jié)鐵軌上有導(dǎo)電材料或電動機老化。 通過進行各種測量以及長時間監(jiān)測，我們就可以了解基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)。 通過自動趨勢分析，我們可以在故障發(fā)生之前確定和檢測故障，然后通知維護團隊最有可能的根本原因，由此可以減少修理工作所需的故障停機時間。

在線FlexMonitoring系統(tǒng)的要求

如果對于包含超過200個監(jiān)測單元的設(shè)施，我們認(rèn)為以下要求最為重要：

堅固性——由于電纜較長以及繼電器切換、高壓和電動機不停開關(guān)，鐵路基礎(chǔ)設(shè)施通常處在惡劣的電磁環(huán)境中。
上市時間短——管理系統(tǒng)必須在一年內(nèi)部署并運行
集成各種傳感器(如電流傳感器、溫度傳感器、數(shù)字水準(zhǔn)儀)以及以2 kS/s 到 30 kS/s的速率測量傳感器的能力
在線緩存?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)、在線數(shù)據(jù)還原和關(guān)鍵參數(shù)確定
GPS系統(tǒng)同步——傳感器分布在變電站內(nèi)，并連接不同的記錄單元，但這些記錄單元相互之間可能相互關(guān)聯(lián)
所有單元使用同一個軟件棧，可遠程升級并單獨配置
3G連接，將數(shù)據(jù)通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸給中央數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)健康管理

服務(wù)器將所有數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫中，包含了所有單元和通道的配置。 監(jiān)測單元需要遠程更新和配置。 此外，向最終用戶的系統(tǒng)提供主接口的外部服務(wù)器也可使用相關(guān)的數(shù)據(jù)子集。 該服務(wù)器持續(xù)進行查詢，以檢測事件故障模式、顯示趨勢并向監(jiān)管團隊發(fā)出文本/短信警報。

FlexMonitoring的實現(xiàn)

對于監(jiān)測單元，我們決定使用 CompactRIO 硬件并以 LabVIEW 系統(tǒng)設(shè)計軟件為基礎(chǔ)開發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)。 我們研究過其他數(shù)據(jù)記錄器和監(jiān)測系統(tǒng)，但發(fā)現(xiàn)其中大部分無法提供足夠高的采樣速率，而且即使采樣速率達到1 kS/s，也沒有足夠的緩存能力來通過3G通用移動通信系統(tǒng)（UMTS）網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。 有時，我們的系統(tǒng)可能需要達到 5 kS/s，甚至是 30 kS/s。因此，工業(yè)PC或NI CompactRIO是唯一可行的方案。 CompactRIO體積小巧且堅固，可以集成許多I/O信號。 而且如果結(jié)合SEA CompactRIO 3G 模塊，即可實現(xiàn)GPS同步和UMTS通信能力。

由于I/O模塊的帶寬較寬，且變電站的電磁環(huán)境較為惡劣，我們請NI聯(lián)盟伙伴 INCAA Computer B.V. 開發(fā)一種帶有I/O輸入保護電路和監(jiān)控器的接口板卡。 除了NI C 系列模塊，我們還使用SEA GPS和GPRS模塊來同步系統(tǒng)并通過無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)進行通信來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和遠程升級。

所有CompactRIO設(shè)備的軟件是通用的。 所有部署的系統(tǒng)采用相同的軟件。 每次安裝時，通道均可根據(jù)傳感器、特性和測量類型進行遠程配置。 所有測量均是由事件驅(qū)動。 當(dāng)某一事件發(fā)生時，如數(shù)字狀態(tài)改變或壓力改變，數(shù)據(jù)記錄就會被觸發(fā)，數(shù)據(jù)通過GPS時鐘進行時間戳標(biāo)記。 每個通道的測量情境取決于硬件特性。 對于某些事件，數(shù)據(jù)會經(jīng)過下采樣后傳輸，這樣用戶就可以查看信號的形狀，更好地理解該事件。

幾個監(jiān)控裝置負(fù)責(zé)記錄 CompactRIO系統(tǒng)的健康和狀態(tài)，包括通信和GPS信號強度、內(nèi)存使用和控制柜溫度。 如果發(fā)生錯誤（這種可能性非常小），系統(tǒng)會自動防止故障并完全重置通信調(diào)制解調(diào)器或CompactRIO設(shè)備。

在服務(wù)器端， LabVIEW應(yīng)用程序負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)并將其儲存在SQL數(shù)據(jù)庫中。 應(yīng)用程序可升級CompactRIO設(shè)備并監(jiān)測其健康狀態(tài)。 同時還可將原始數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶以便進行詳細(xì)的分析。

最后，另一個服務(wù)器負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)并運行web服務(wù)來為客戶顯示數(shù)據(jù)。 該服務(wù)器包含不同工具，包括用于數(shù)據(jù)運算的計算工具及帶有警報的事件處理工具。 這些工具連續(xù)運行查詢并檢測那些作為警報或報警條件全天候向監(jiān)控團隊顯示的信號。 監(jiān)管團隊和維護人員也可通過短信/文本信息或電子郵件收到通知。

結(jié)論

該系統(tǒng)現(xiàn)已上線運行，我們非常自豪能夠在一年內(nèi)在全國開發(fā)并部署超過200個復(fù)雜的監(jiān)測系統(tǒng)。 我們選擇 CompactRIO 和 LabVIEW 的原因是它們可靈活連接所有必需傳感器類型和信號處理算法，開發(fā)時間短且我們對該軟件較為熟悉。

我們正在研究除鐵路基礎(chǔ)設(shè)施之外其他應(yīng)用領(lǐng)域，如航運，并嘗試添加其他測量類型，如可編程序邏輯控制器連接及圖像采集。

作者信息:

Noël Steentjes
Inspectation