Zustandsüberwachung

Hochgenaue Sensoren von ASC sorgen für einen sicheren und komfortablen Zugbetrieb

Ohne Inertialsensoren wäre der moderne Schienenverkehr nicht denkbar: Sie erfassen die Position von Zügen, überwachen den Zustand der Gleise und ermöglichen maximalen Fahrkomfort. Die neuen smarten Sensorsysteme ASC AiSys ermöglichen sogar das Echtzeit-Monitoring der Infrastruktur und die frühzeitige Erkennung von Schäden – Netzbetreiber können ihre Instandhaltungsmaßnahmen deshalb künftig noch effizienter planen.

Bei der Entwicklung und dem Betrieb von Zügen übernehmen Inertialsensoren zahlreiche wichtige Aufgaben. Eine von ihnen ist die hochgenaue Messung von Schwingungen und Vibrationen an Fahrzeugen, Gleisanlagen und Brücken. Die dadurch ermittelten Daten bilden die Grundlage für einen sicheren, komfortablen Schienenverkehr. Ingenieure können aus ihnen wertvolle Informationen für die Konstruktion von Zügen und die Instandhaltung der Infrastruktur ziehen. Sensoren sorgen aber auch dafür, dass die Fahrdienstleiter in den Leitstellen der Deutschen Bahn immer genau wissen, wo sich ein Zug gerade befindet. Satellitengestützte Navigation alleine reicht dafür nicht aus, da die Signale störanfällig sind.

Der Messtechnik-Spezialist ASC fertigt eine große Bandbreite hochempfindlicher Beschleunigungs- und Drehratensensoren sowie Inertial Measurement Units (IMU) für Test- und Monitoring-Aufgaben im Schienenverkehr. Die Sensoren erfassen Daten in den verschiedensten Anwendungen – nicht nur in Fahrzeugen, sondern auch an Gleisen oder Brücken.

ASC ist Partner der DRS Alliance

Führende europäische Bahntechnik-Unternehmen haben sich im Oktober 2021 zur Digital Railway Solutions Alliance (DRS) zusammengeschlossen. Sie wollen die Effizienz, Sicherheit und Leistungsfähigkeit des weltweiten Schienennetzes mithilfe digitaler Technologien erhöhen. Die DRS hat es sich zum Ziel gesetzt, nachhaltige und effiziente Lösungen für die Netz-Betreiber und Verkehrsunternehmen in Europa zu entwickeln. ASC gehört zu den Gründungsmitgliedern der Allianz und wird sein komplettes Produktportfolio in analoger, digitaler und smarter Form einbringen.

Mit seinen smarten Sensorsystemen ASC AiSys bietet ASC die passende Antwort auf die künftigen Herausforderungen im Schienenverkehr. Sie sind für jede Applikation auf Basis der Beschleunigungs-, Schwingungs- oder Winkelgeschwindigkeitsmessung einsetzbar und werden gemäß der Kundenanforderungen erstellt. Der wesentliche Unterschied zu analogen und digitalen Sensoren besteht darin, dass die smarten Sensorsysteme die erfassten Messdaten verarbeiten, auswerten und vordefinierte Merkmalsvektoren extrahieren. Dazu werden u. a. Algorithmen implementiert, um aus der Beschleunigung die Geschwindigkeit und die Verschiebung zu berechnen.

Smarte Sensorsysteme können als offenes System in beliebige andere Systeme integriert werden. Sie sind daher die Basis für zahlreiche Monitoring-Lösungen von Fahrzeugen und Infrastruktur, KI-Anwendungen, intelligente Sensornetzwerke oder Industrie 4.0-Anwendungen. Sie ermöglichen Überwachungslösungen in Echtzeit z. B. für Schienenfahrzeuge oder die Bahninfrastruktur, aber auch die Erkennung von Entgleisungen.

Betriebsfestigkeitsprüfungen unter rauesten Bedingungen

Kapazitive Beschleunigungssensoren von ASC tragen unter anderem zur Betriebssicherheit von Zügen bei. Der Schienenfahrzeug-Hersteller Alstom bestimmt mit ihnen z. B. das dynamische Fahrverhalten (nach EN 14363) und die Festigkeit der Drehgestellrahmen (nach EN 13749) unter realen Bedingungen. Die dazu genutzten ASC-Sensoren weisen nicht nur einen hohen Signalhub von ±2,7 V für Messbereiche zwischen ±2 g bis 200 g auf, sondern auch einen weiten Frequenzbereich von DC bis 7 kHz. Darüber hinaus verfügen sie über eine große Langzeitstabilität und ermöglichen damit die präzise Messung selbst geringer Linearbeschleunigungen und niederfrequenter, dynamischer sowie statischer, konstanter Beschleunigungen.

Die Sensoren sind äußerst robust gegenüber Witterungseinflüssen, halten selbst Stößen mit einer Intensität von bis zu 6.000 g stand und arbeiten in einem Temperaturbereich zwischen –40 °C und +125 °C. Das sind wichtige Voraussetzungen für den Einsatz auf den Teststrecken, da die Messtechnik hier Wind und Wetter ausgesetzt ist.

Überbrückende Navigation bei gestörten GNSS-Signalen

Eine große Bedeutung kommt Sensoren auch bei der exakten Positionsbestimmung von Zügen zu – deren genaue Lokalisierung ist essentiell für die Sicherheit im Schienenverkehr. Die satellitengestützte Navigation reicht dazu nicht aus, da die GNSS-Signale in Tunneln, Waldgebieten oder überdachten Bahnhöfen abgeschattet werden und deshalb nicht oder nur schwach beim Empfänger ankommen. Inertial Measurement Units von ASC übernehmen die Positionserfassung in diesen Bereichen und überbrücken damit die Zeitspanne, bis das Satellitensignal wieder vollständig zur Verfügung steht. Die IMUs sind prädestiniert für dieses Anwendungsgebiet, da sie selbst geringste rotatorische und lineare Bewegungen erfassen und nur einen sehr kleinen Bauraum benötigen.

Schäden an Gleisen werden frühzeitig erkannt

Für die Zustandsüberwachung des Streckennetzes im Rahmen eines Continuous Track Monitoring (CTM) sind kapazitive und piezoelektrische Beschleunigungssensoren sowie Drehratensensoren ebenfalls unentbehrlich. Die Deutsche Bahn AG setzt bereits seit einigen Jahren ASC-Sensoren an ihren Fernzügen ein, wo sie im Regelbetrieb zur Charakterisierung der Gleisqualität (nach EN 13848) Beschleunigungen an den Radsatzlagern und im Inneren der Wagenkästen messen.

 

Anhand der ermittelten Daten kann die DB Systemtechnik GmbH Unregelmäßigkeiten in der Gleisgeometrie erkennen. Abweichungen in der Längshöhe haben einen großen Einfluss auf die Betriebsqualität. Liegen Fehler in der Geometrie vor, müssen umgehend Instandhaltungsmaßnahmen ergriffen werden, um Langsamfahrstellen oder im Extremfall Streckensperrungen zu vermeiden. Durch eine kontinuierliche Zustandsüberwachung mithilfe von Sensoren und Sensorsystemen können potenzielle Schäden frühzeitig erkannt und behoben werden.

Ohne Digitalisierung keine Steigerung der Effizienz

Analoge Sensortechnologien kommen hauptsächlich im Test- und Messbereich zum Einsatz, wo temporär meist unter bekannten Randbedingungen detaillierte Charakterisierungen der Fahrzeuge und Infrastruktur durchgeführt werden. Das Fahrgastaufkommen im Schienenverkehr wächst jedoch und damit steigen die Belastungen für das Streckennetz und die Züge. Um den hohen Anforderungen gerecht zu werden, kommen im Bahnbereich immer häufiger digitale Technologien zum Einsatz.

ASC‘s digitale Sensoren der Serie ASC DiSens arbeiten mit höchster Genauigkeit und übertragen ihre Signale störungsfrei über große Distanzen. Daher eignen sich digitale Sensoren besonders für die Überwachung von Infrastrukturen, wie z. B. Brücken- und Gebäudeüberwachung, bei denen extrem lange Kabel verwendet werden. Des Weiteren sind insbesondere bei Anwendungen im Schienenverkehr Stöße bis 400 g zu erwarten. Dies kann bei analogen Sensoren zum Übersteuern führen, was wiederum die nachgelagerte Datenverarbeitung beeinflusst, da wertvolle Messdaten abgeschnitten sind oder Signalformen deformiert werden. Die Beschleunigungssensoren ASC DiSens Eco verfügen daher über bereits implementierte Filtersettings, um Datenrate und Grenzfrequenz an die jeweilige Messaufgabe anzupassen. Fehlmessungen bei Testfahrten können dadurch signifikant reduziert werden. Darüber hinaus haben sie einen weiteren Vorteil: Da die analogen Eingangssignale bereits im Sensor in digitale Ausgangssignale umgewandelt werden, ist eine klassische Datenerfassung nicht notwendig, sondern diese können meistens direkt am Messrechner weiterverarbeitet werden. ASC DiSens-Sensoren sind mit digitalen Schnittstellen wie RS-232 und CAN erhältlich.

Wie wird ein digitaler Sensor zum smarten Sensorsystem?

Analoge Messtechnik und Erfahrungen aus einer Vielzahl von Applikationen sind die Grundlage zur Umsetzung der smarten Sensorsystemen ASC AiSys. Der Funktionsbaukasten basiert dabei auf bewährte Hardwarekomponenten – also zuverlässige Sensorelemente für die Bestimmung der physikalischen Größen Beschleunigung und/oder Winkelgeschwindigkeit sowie die an die rauen Umgebungsbedingungen angepasste Gehäuse- und Kabelkonfektionierung.

Darüber hinaus sind zusätzliche Elektronik zur Analog-Digital-Wandlung und standardisierte Schnittstellen integriert. Das Hauptmerkmal der Sensorsysteme ist jedoch ihre Fähigkeit, die erfassten Daten auszuwerten und vordefinierte Merkmalsvektoren zu extrahieren. Die smarten Sensorsysteme ASC AiSys liefern Informationen und der Anwender sorgt dafür, welche Informationen visualisiert und für die entsprechenden Nutzer benötigt werden. Die Datenhoheit obliegt dabei immer dem Anwender und APIs (Programmierschnittstellen) bilden die Grundlage zur Einbindung kundenspezifischer Algorithmen.

ASC entwickelt auch Algorithmen, die es ermöglichen, Geschwindigkeit und Verschiebung auf dem Smart Sensor System ASC AiSys zu berechnen. Dies wurde in einem Projekt zur Entwicklung eines sensorbasierten intelligenten Monitoring-Systems für Windenergieanlagen bereits erfolgreich umgesetzt. Ziel war es, aus den gemessenen Beschleunigungen, die Turmauslenkung zu berechnen, um Verschleißsarten und Alterungsprozesse zu bestimmen. Neben der zweimaligen numerischen Integration ist es notwendig, statische Offset-Anteile und driftabhängige Komponenten mittels Frequenzanalysen zu kompensieren. Alle Berechnungsschritte wurden dabei vollständig auf dem smarten Sensorsystem durchgeführt und können applikationsspezifisch angepasst werden.

Intelligente Sensorsysteme ASC AiSys übermitteln Daten in Echtzeit

Bisher wurden die Daten noch extern erfasst und in zeitlichen Abständen ausgewertet. Bei den neuen smarten Sensorsystemen ASC AiSys erfolgt die Verarbeitung dagegen direkt auf dem Sensor, der dann eine Statusmeldung nach dem Ampelprinzip ausgibt. Schienennetz-Betreiber können den Zustand der Fahrzeuge und Infrastruktur deshalb jetzt auch in Echtzeit überwachen und Unregelmäßigkeiten noch schneller erkennen. Die Anzahl der Störungen wird dadurch auf ein Minimum reduziert.

Ein störungsfreier Betrieb ist wiederum die Grundvoraussetzung für eine höhere Auslastung der Strecken. Die Deutsche Bahn strebt diese in ihrer Dachstrategie „Starke Schiene“ an, mit der die verkehrs- und klimapolitischen Ziele der Bundesregierung erreicht werden sollen. ASC-Sensoren können also indirekt einen Beitrag für die Verlagerung des Verkehrs von der Straße auf die Schiene leisten.

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