Беспроводные системы мониторинга на подвижном составе

В обеспечении такого подхода беспроводные технологии играют важную роль, предоставляя обслуживающему персоналу возможность легко и с высокой точностью определять исчерпание эксплуатационного ресурса конкретного компонента. Технология безбатарейного беспроводного мониторинга состояния, разработанная британской компанией Perpetuum, в сочетании с мощным аналитическим программным обеспечением облегчает диагностику состояния подвижного состава, а также мониторинг и прогнозирование отказов технических средств. Технология компании Perpetuum впервые на железнодорожном транспорте использует микрогенератор, работающий на основе преобразования механической энергии вибраций в электрическую. Объема последней достаточно для надежной передачи больших объемов данных от автономных беспроводных датчиков. Затем аналитическое ПО упаковывает эту информацию в комплексные наборы данных, которые создают картину технического состояния колесных пар, буксовых подшипников, букс и тяговых двигателей парка подвижного состава, а также состояния объектов путевого хозяйства, которая передается на компьютеры и мобильные устройств обслуживающего персонала Компания Southeastern — оператор пригородных перевозок в Лондоне и на юго-востоке Англии — недавно завершила внедрение технологии Perpetuum на своем парке подвижного состава, состоящем из 112 трех- и четырехвагонных электропоездов Electrostar серии 375. Только в графстве Кент техника Perpetuum контролирует более 1,8 млн измерительных точек в сутки; с 2013 г. с помощью 5000 датчиков, установленных на 600 единицах подвижного состава, были собраны данные по пробегу, превышающему 400 млн поездо-км. Такой объем и уровень данных позволили создать статистические модели, которые составили основу процессов управления жизненным циклом, способствующих более эффективному сокращению издержек, повышению безопасности и качества планирования. Для мониторинга состояния узлов подвижного состава на тележках поездов установили датчики вибрации и температуры. Реализация проекта позволила проводить целевое обслуживание и увеличить межремонтные сроки. Одним из компонентов, для которых дистанционный мониторинг состояния позволил уйти от периодической замены, являются буксовые подшипники. В настоящее время технология Perpetuum позволяет надежно и с соблюдением требований безопасности выявлять в среднем один близкий к разрушению подшипник в месяц. Система не допустила ни одного ложного срабатывания, т. е. не выдавала аварийный сигнал по колесной паре, не имеющей признаков деградации. Завершая развертывание системы на поездах Electrostar, Southeastern и лизинговая компания Angel Trains приступили к испытаниям системы на электропоездах Networker серии 465 и 466. Датчики также генерируют информацию о состоянии объектов путевого хозяйства, выдавая на участках сети Southeastern 11 тыс. отображений реального состояния в сутки, позволяющих оценивать динамику изменений, например, на ряде позиций в Тонбридже. Таким образом, система регулярно дополняет данные, генерируемые диагностическими поездами. Такой поезд может проверять участок раз в два месяца и давать подробный отчет о техническом состоянии пути. В то же время система Perpetuum проводит многократную диагностику ежедневно, предоставляя данные о темпе ухудшения состояния элементов. На основании этой постоянно обновляющейся информации обслуживающий персонал может планировать и проводить ремонтные работы, позволяющие исключить временные ограничения скорости на определенных участках пути. Установка датчиков системы ведется также более чем на 170 колесных парах десяти двухвагонных и шести четырехвагонных дизель-поездов Turbostar серии 171 (постройки компании Bombardier), эксплуатируемых железнодорожной компанией Southern на неэлектрифицированных линиях к югу от Лондона. В Австралии администрация метрополитена Мельбурна (МТМ), планируя переход на стратегию технического обслуживания по состоянию с целью увеличения межремонтного пробега, заказала пилотный проект сервисов Perpetuum. МТМ намерена использовать систему мониторинга для более эффективной диагностики состояния подшипников и колес электропоездов X’Trapolis производства компании Alstom. На метрополитене Мельбурна работают 74 поезда X’Trapolis, еще восемь поставят до конца 2015 г. Кроме этого, в Лондоне испытывают стандартный сенсорный узел Perpetuum для мониторинга состояния тягового двигателя метропоездов с целью безопасного увеличения межремонтного пробега. В Швеции эта технология реализована на поездах Х2000 в целях увеличения ресурса подшипников по крайней мере на 40 %. 

Преобразователи энергии вибрации

 Ключевым оборудованием технологии являются бортовые преобразователи энергии вибрации (Vibration Energy Harvesters, VEH). История этой разработки берет начало в 2004 г. Компания Perpetuum возникла как дочерняя технологическая компания, выделившаяся из Университета Саутгемптона после разработки, изготовления и налаживания серийного выпуска микрогенератора, преобразующего энергию вибраций и ударов в электрическую, в количестве, достаточном для надежной передачи больших объемов данных, генерируемых автономными беспроводными датчиками на дистанционно контролируемых объектах. Принцип действия электромагнитных концентраторов энергии заключается в преобразовании механической энергии (вибрации) в электрическую с использованием движущейся в катушке возвратно-поступательно массы (магнита), создающей переменный магнитный поток, индуцируя напряжение в соответствии с законом Фарадея. Прорывная технология компании Perpetuum обеспечивает достаточное количество энергии, позволяющее развивать новые средства беспроводной коммуникации в таких сферах применения, как техническое обслуживание подвижного состава. Одним из преимуществ VEH является отсутствие необходимости в обслуживаемых аккумуляторных батареях и многочисленных проводах для передачи этой информации. В системе Perpetuum энергетические беспроводные сенсорные узлы передают вибрационные данные для долгосрочного прогнозирования отказов и температурные данные для краткосрочного мониторинга на компьютеры или мобильные устройства обслуживающего персонала. 

Для мониторинга состояния подшипников, колес и участков пути к каждому колесу крепится по одному беспроводному сенсорному узлу при помощи специального кронштейна, удовлетворяющего национальным сертификационным требованиям к данному транспортному средству. Подобным образом сенсорные узлы можно устанавливать на буксах и тяговых двигателях, создавая активную «интеллектуальную» тележку. Мощные преобразователи энергии размещаются в одной половине узла; во второй половине находятся трехосный акселерометр, температурный датчик, модуль беспроводной связи, модуль электроники и конденсаторы. Для обеспечения беспроводной связи с напольными устройствами и возможности дистанционного мониторинга местоположения подвижного состава через GPS используются концентраторы данных. К одному концентратору данных можно подключить до пяти вагонов, для более длинных поездов потребуется большее число концентраторов данных. Сенсорные узлы с питанием от преобразователя энергии рассчитаны на срок службы 20 лет. Система может поставляться в виде решения «под ключ» или с использованием существующих телекоммуникационной инфраструктуры и средств отображения информации. Конструкция сенсорных узлов обеспечивает их быструю переустановку, не требуя какой‑либо модернизации применительно к типу колесных пар. Весь процесс установки занимает менее 20 мин. Передача данных реального времени и обработка информации в системах принятия решений по планированию, техническому обслуживанию и закупкам может начинаться немедленно после установки сенсорных узлов. Для обеспечения надежного и безопасного мониторинга наряду с системами защиты и восстановления данных доступны услуги комплексной технической поддержки. Компания Perpetuum может организовать обучение и оперативную поддержку; имеется возможность отправки системой аварийных сообщений по электронной почте непосредственно оператору перевозок. При отсутствии реакции с его стороны в течение определенного времени эти сообщения дублируются в установленной последовательности вверх по иерархической лестнице. 

Грузовые вагоны 

Хотя пока при развертывании системы основной упор сделан на пассажирские вагоны, ее можно использовать для контроля за изменением состояния грузовых вагонов. Большинство грузовых вагонов не имеют бортовых источников питания, поэтому использование преобразователей энергии VЕH позволяет без дополнительных расходов реализовать функции диагностики. Компания Perpetuum поставляет преобразователи высокой мощности, пригодные для мониторинга состояния как вагона, так и груза по параметрам температуры, давления, утечек и безопасности. Для передачи этих данных на большие расстояния можно использовать GPRS или спутниковую связь. Как вариант, можно передавать все данные, в том числе о состоянии колесных пар и груза, по беспроводным каналам непосредственно в кабину локомотива с использованием энергии, вырабатываемой VЕH. Технология позволяет также анализировать взаимодействие в системе колесо — рельс, выявлять ползуны колес и мгновенно проверять все тревожные сигналы. Данные могут служить в качестве инструмента поддержки принятия решения, помогающего специалистам по обслуживанию инфраструктуры в случае необходимости быстро идентифицировать и устранить любую проблему. В последние годы практика технического обслуживания подвижного состава сделала большие шаги в направлении повышения эффективности и надежности. Разработанная компанией Perpetuum технология беспроводного мониторинга состояния способствует этому, предлагая решение, позволяющее облегчить прогнозирование и устранение отказов технических средств. Данные, генерируемые устройствами, не использующими проводов, батарей и не требующими обслуживания, передаются непосредственно на компьютеры, планшеты или мобильные телефоны персонала и могут конфигурироваться в соответствиис конкретными потребностями пользователей. Кроме этого, накопление данных с целью последующего принятия решений по планированию, ремонту и закупкам позволяет резко сократить операционные расходы и издержки на техническое обслуживание, что подтверждается опытом работы операторов в Великобритании, Швеции и Австралии. 

International Railway Journal, 2015, № 8, материалы компании Perpetuum.