Energy metering Systems for Railways

REMS Loco je funkčná časť riešenia REMS integrovaná na lokomotíve. V aktuálnych implementáciách bola riešená tretími stranami, čo malo svoje výhody ale prinášalo so sebou riziká: nekvalitné údaje, nepresné merania, nemožnosť reagovať na požiadavky zákazníka.

REMS Loco je mobilný merací systém pre zber, predspracovanie (agregácia, hodnotenie kvality) a uchovávanie prevádzkových údajov z lokomotívy a bezpečný obojsmerný prenos údajov medzi lokomotívou a REMS Central. Ide najmä o údaje o spotrebe trakčnej (netrakčnej) energie (diesel, el. elektrina) behom jazdy, o polohe na trati (GPS), rýchlosti, prevádzkových parametroch lokomotívy (teploty, tlaky, jazdné režimy, identifikácia rušňovej čaty, vlaku, jazdy a pod). Údaje sa dajú zadávať aj ručne cez dotykový displej. Dotykový displej je súčasťou pracoviska rušňovodiča, zobrazujú sa ňom vybrané prevádzkové parametre lokomotívy a doporučenia pre jazdu.

Súčasťou interného projektu bol návrh a realizácia potrebného HW vybavenia REMS Box, ktorý v základe tvoria palubný počítač s embedded D2000 a dotykovým displejom a meracie súpravy pre spotrebu energie (diesel, trakčná_netrakčná elektrina) a súvisiace snímače a moduly (GPS, GPRS).

Základná architektúra riešenia

Riešenie pozostáva z 3 samostatných funkčných celkov:

REMS Loco - Aplikačný software
REMS Box – HW prvky, palubný (telemetrický) počítač vrátane systémového software
REMS Meracia súprava a pomocné obvody

Riešenie meracej sústavy pozostáva z troch samostatných funkčných celkov:

REMS Loco - aplikačný software, je napísaný v prostredí D2000. Hlavné časti aplikačného SW sú zber a spracovanie meraní, komunikácia s centrálnym systémom REMS Central
a prípadná obsluha lokomotívneho displeja (vizualizácia) na stanovisku rušňovodiča v lokomotíve.
REMS Box – palubný počítač vrátane systémového software. Palubný (telemetrický) počítač PC spĺňuje normu EN 50155 (electronic equipment on railways). Súčasťou systémového software sú komunikačné protokoly na meraciu súpravu. Samostatnou súčasťou REMS boxu je voliteľný palubný display s ovládacími tlačidlami, tvorený samostatným počítačom spĺňajúcim EN 50155 a UIC 612-02 (display system in driver cabs). Ako grafické rozhranie je použitý D2000 HI. Súčasťou LocoBoxu sú napájacie obvody pre palubný počítač, trakčné meniče a ďaľšie HW prvky.
REMS Meracia súprava – meracie a komunikačné zariadenia (elektromer, merač PHM ...), snímače a príslušná elektrická inštalácia. Meracia sada pre dieselovú lokomotívu obsahuje meranie paliva (nafta) v nádržiach (kapacitný hladinomer) a meracia sada pre elektrickú lokomotívu obsahuje meranie spotreby elektriny na vstupnom elektromeri. Obe meracie sady LocoBoxu obsahujú jednotky GPS a GPRS, meranie napätia a prúdu trakčného motora, identifikáciu rušňovodiča.

Obr. 1 Základná koncepcia riešenia LocoBoxu.

Základné legislatívne a normatívne požiadavky na merací systém LocoBoxu spotreby elektrickej energie na HDV

Merací systém (MSE HDV) musí zabezpečiť kompatibilitu s európskou legislatívou v zmysle normy EN 50463
zvýšenie kvality, spoľahlivosti merania elektrickej energie (EN 50463-2), zabezpečenie interoperability prenosov meraní z HDV jednotlivých prepravcov do centrálneho zúčtovacieho systému (EN 50463-4).
Merací systém (MSE HDV) merania energie musí byť v zhode s normami EN 50463, EN 50155, EN 50121-3-2, EN50125-1, EN 61373, EN12663, EN 45545 a EN 50163 a musí spĺňať podmienky úplného znenia zákona č. 142/2000 Z. z. o metrológii a o zmene a doplnení niektorých zákonov v úplnom znení zákona č. 513/1991 Z. z. .

Obr. 2 Final prototyp LocoBox - elektro.

Obr. 3 Final prototyp LocoBox - diesel.

Certifikácia prototypov LocoBoxu elektro-diesel

Pre splnenie základných požiadaviek na merací systém LocoBoxu elektro-diesel bolo nevyhnutné vykonať certifikáciu v zmysle normy EN 50155. Realizovali sme ju v EVPU a.s. Nová Dubnica. Nakoľko náše riešenie sa od samého začiatku javilo ako robustné, aspoň tak sme sa snažili pri vývoji LocoBoxu, v norme EN50155 sme si zvolili tie najtvrdšie kritéria pre povinné typové skúšky.

Absolvovali sme nasledovné typové skúšky v zmysle normy EN 50155:

Vizuálna prehliadka, článok 12.2.1

Skúška funkčnosti, článok 12.2.2

Skúška chladom, článok 12.2.3

Skúška suchým teplom, článok 12.2.4

Skúšky odolnosti voči napájaciemu prepätiu, článok 12.2.6

Skúška citlivosti na rušenie nárazovými impulzami, článok 12.2.7

Skúška izolácie, článok 12.2.9

Skúška odolnosti voči vibráciam, článok 12.2.11

Skúška vodotesnosti, článok 12.2.12

Že skúšky boli naozaj náročné, svedčia nasledovné obrázky, ktoré boli vytvorené počas jednotlivých typových skúšok v EVPU Nová Dubnica.

Obr. 4 Displej tepelnej komory, náš LocoBox musel fungovať v rozsahu teplôt triedy Tx, teda od -40°C až do +85°C.

Obr. 5 Test na vibračnom stole trval 48 hodín, splnili sme požiadavky normy EN 61373, kategória 1, trieda B.

Obr. 6 Komora pre test prachuvzdornosti – pred a po skúške, LocoBox má krytie IP55.

Obr. 7 Výsledok našej snahy - Certifikát pre LocoBox elektro a diesel.

Certifikáciu prototypov LocoBoxu elektro-diesel sme úspešne ukončili 02/2016 a získali sme certifikáciu
pre normu EN 50155 a meracie zariadenie elektrickej energie HDV je v zhode s technickými požiadavkami
EN 50463-2:2012.

Inštalácia na reálnu lokomotívu (pilotná časť projektu)

Po úspešnej certifikácií sme mohli realizovať reálnu inštaláciu na lokomotívu. Podarilo sa nám uskutočniť skúšobnú prevádzku systému merania spotreby elektrickej energie na HDV radu 363 a skúšobnú prevádzku merania spotreby nafty na HDV typu 746.

Skúšobná prevádzka prebieha počas normálnej prevádzky HDV bez špeciálnych podmienok, teda naše LocoBoxy sú podrobované tvrdým podmienkam reálnej prevádzky HDV bez akejkoľvek výnimky.

Na obrázku nižšie vidíme principiálne pripojenie nášho LocoBoxu na elektrickú lokomotívu a na jednotlivé komponenty elektrických obvodov lokomotívy (PTN, PTP, MPN, MPP...).

V súčasnosti sú naše meracie systémy prevádzkované spoločne s pôvodnými meracími systémami merania spotreby elektrickej energie a spotreby nafty, čo umožnuje realizovať vzájomné porovnávanie nameraných dát prevádzkovateľa HDV.

Obr. 8 Pripojenie LocoBoxu na elektrické obvody lokomotívy typu 363.

LocoBox pod typovým označením LCB-SK-EL-1 máme nainštalovaný na skúšobnú prevádzku na lokomotíve typ 363. Účelom skúšobnej prevádzky je odskúšanie funkcionality a spoľahlivosti nového meracieho systému LCB-SK-EL-1 pre meranie spotreby elektrickej energie pre HDV radu 363 ako ekvivalent pôvodného systému.

Inštalácia bola realizovaná v mesiaci február 2017.

Obr. 9 Rušeň 363 a 746 s našim LocoBoxom.

LocoBox pod typovým označením LCB-SK-DI-1 máme nainštalovaný na skúšobnú prevádzku na lokomotíve typ 746. Účelom skúšobnej prevádzky je odskúšanie funkcionality a spoľahlivosti nového meracieho systému LCB-SK-DI-1 pre meranie spotreby nafty pre HDV radu 746 ako ekvivalent pôvodného systému.

Inštalácia bola realizovaná v mesiaci február 2017.

Pre meranie hladiny PHM (nafty) na dieselových lokomotívach sme zvolili hladinomer typu LM2.2 od fy. Mesit Přístroje Uherské Hradište. Hladinomery radu LM 1.2 a LM 2.2 od uvedenej firmy sú certifikované pre dopravné vozidlá.

Hladinomer LM2.2 je kapacitný hladinomer určený pre meranie výšky hladiny kvapalných látok v nádržiach dopravných železničných vozidlách.

Obr.10 Inštalácia hladinomeru LM2.2 do nádrže lokomotívy.

Počas inštalácie a kalibrácie hladinomeru nám prešlo cez ruky 4000litrov nafty. Hladinomer je veľmi citlivý na čistotu používanej nafty a umožňuje funkcionalitu online kontroly krádeže nafty. Pre laboratórne účely testovania jednotlivých funkcií hladinomeru sme si postavili prípravok vid. obrázok dole. Ako naftu tu používame tekutý parafín, nakoľko je nehorľavý v našich podmienkach a má permitivitu veľmi blízku motorovej nafte.

Obr.11 Testovacie pracovisko merania hladiny nafty.

Elektrickú ale aj mechanickú inštaláciu LocoBoxov elektro-diesel na lokomotívu sme zvládli bez problémov, o čom svedčia aj revízne správy elektrického zariadenia vykonané v zmysle vyhášky č. 205/2010 Z.z., STN 33 1500 a STN 33 2000-6.

Analýza a spracovanie prenesených dát

Zber meraní pre potreby D2000 REMS Loco je zabezpečený výlučne procesom D2000 KOM so vzorkovacím intervalom požadovaným pre odčítanie jednotlivých hodnôt merania. Systém REMS Loco využíva pre internú archiváciu priebežných meraní proces D2000 archív alebo v prípade sumárnych údajov relačnú databázu.

Systém REMS Loco namerané hodnoty vyhodnocuje pre potreby možného zobrazenia na strane užívateľského rozhrania Loco Display ako aj pre následný prenos spracovaných meraní do centrály DAC server. Systém REMS Loco vykonáva identifikáciu výpadkov merania, analyzuje diery v záznamoch a systém opätovne vyžiada údaje z archívnych objektov a výsledky pripraví na export.

Prenos dát z LocoBoxov (perióda 1min) je zabezpečený kryptovaným rozhraním cez GPRS v komprimovanom XML formáte pomocou REST/POX na DAC server lokalizovaný v IPS. Finálne dáta ukladané v REMSe sú sťahované z DAC databázy, kde v procese importu dát prebieha ďalšie spracovanie surových hodnôt (priradenie najbližšieho mapového bodu podľa digitalizácie ku každej GPS pozície, výpočet prejazdov stanicami, resp. zastavenia v staniciach, vyhodnotenie alarmov a ich odoslanie emailom ...)

DAC server zároveň slúži aj na vzdialený monitoring a správu všetkých LocoBoxov. Zo servera DAC je možné realizovať hromadné patchovanie a aplikovanie nových verzí SW na LocoBoxy prostredníctvom komunikačného kanála slúžiaceho primárne na prenos dát z lokomotívy. Lokomotíva sa vždy pripája na DAC server ako klient, ale prenos dát v komunikácií je obojsmerný.

Obr. 12 Priebehy merania nafty a elektrickej energie na lokomotíve.

Dáta merania nafty v nádrži sú vyhladzované algoritmom, ktorý zabezpečuje minimalizáciu prípadných zákmitov výšky hladiny, nakoľko 1 cm hladiny v nádrži predstavuje cca 800 litrov paliva.

Obr.13 Ukážka systému REMS – História pohybu lokomotívy.

Záver

Cieľom tohto blogu bolo v krátkosti Vás oboznámiť s cestou vzniku LocoBoxu a s jeho využitím pre dopravné systémy. Predpokladám, že náklady vynaložené na vývoj REMS Loco SW a REMS Box vývojového prostredia, funkčných prototypov meracích súprav LocoBox elektro-diesel, zodpovedajúcej výrobnej a technickej dokumentácie dokumentácie pre certifikáciu a pilotný režim na reálnej lokomotíve sa zúročia a prinesú pre spoločnosť Ipesoft spol. s r.o. pridanú hodnotu.

‍