灵活的资产监测系统可提高铁路基础设施的可用性

"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。

作者:

Noël Steentjes - Inspectation

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：

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
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。
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。

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