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工业物联网驱动了今天的机车

由几辆机车牵引的火车可以运送一吨500英里的一加仑燃油。什么使这种效率成为可能?分布在机车上的传感器网络及其后面的汽车。今天的机车最多有250个传感器,每分钟读取数千个读数。现代机车本质上是滚动的工业发电厂,像所有现代发电厂一样,它们受益于工业物联网(IIoT)的技术。
通用电气ES44DC机车

图1:通用电气ES44DC机车是车轮上的全自动工业柴油发电机组,产生4,400马力(3280千瓦)。250个传感器连续监控发动机和环境,以自动控制油门和制动器。(来源:维基百科)
工业物联网的主要焦点有时被称为工业4.0,它是通过尽可能自动化现有流程来提高效率。工业自动化一直很快融入任何可以提高效率的新技术。例如,可编程逻辑控制器(PLC)代替行和行的继电器。专有有线通信被以太网替代,WiFi被WiFi快速补充。特定于应用程序的嵌入式系统代码已被Microsoft Windows所取代,在某些情况下,现在正在替换或补充Android或iOS。自定义CRT控制台首先被台式电脑所取代,然后被笔记本电脑取代,而现在正在用蓝牙连接的移动平板电脑将其替换到系统进行远程管理。想象一下,使用平板电脑启动或停止200吨列车!

现代制造和电厂使用IIoT

工业物联网现在是革新现代工厂的最新技术。最显着的优点是提高制造设施和发电厂的运行效率,这是早期采用者的焦点。例如,通过自动化以前由人类操作员执行的一些繁琐的过程,制造商能够显着提高效率,同时减少错误。传感器和IoT的另一个重要用途是预测性维护。这涉及监测工厂或发电厂的各种部件,以确定部件是否接近故障。这样就可以在组件在操作环境中发生故障之前更换组件,从而避免了高停机时间。只要这两个应用程序,
工业自动化一直依靠传感器来测量压力,流体流量,温度,振动,位置,位置,存在等等。现在这些传感器正在以更高的精度和更低的成本实现,因为传感器技术的最新进展使传感器能够通过电池供电并与主系统无线连接。这样可以更有弹性地连接传感器,同时也降低了传感器网络的成本。

现代柴油机车和IIoT

今天的机车是极端的工业自动化的真正例子。现代机车使用柴油发动机来驱动交流发电机的交流电,或用于直流电的发电机,为驱动车轮的电动机供电。一个典型的例子是通用电气(GE)制造的Evolution机车。这些机车在发动机,驾驶室和周围地区拥有超过250个传感器。这些传感器每分钟通过网络发送超过15万个实时数据点。数据处理包括各种点的发动机温度,包括轴承和歧管温度,大型柴油发动机各个点的油压,火车的速度等等。火车前部和周围的摄像机被馈送到计算机以进行图像识别问题或障碍物。外部传感器测量天气,包括大气压力,风速和方向,温度和湿度。还测量轨道的状况和倾斜度。电脑还控制辅助系统,如风扇,灯,喇叭和客舱空调。
GE Evolution系列机车车厢发动机传感器显示

图2: GE Evolution系列机车的车厢发动机传感器显示。该面板上显示超过100个传感器,包括气瓶中精确的空气/燃料混合物和废气的组成。(资料来源:YouTube)
通过实时数据对发动机状态进行持续监控,可实现机车的全面精确自动化,包括油门和制动的自动控制。例如,图2显示了发动机传感器如何测量精确的燃料 - 空气混合物,因此计算机可以调整混合物的最大效率。这种水平的测量和控制有助于整个列车的运行自动化,人为干扰最少。
GE Evolution系列机车车厢发动机传感器显示

图3:现代柴油机车框图(来源:维基百科)
鉴于现代自动化工厂与当今自动化机车之间的密切关系,今天的机车由当今工厂使用的一些PLC控制,这一点并不奇怪。以太网被用作列车的VLAN网络的支柱,支持Modbus TCP / IP。许多传感器分配了本地主机IP地址,而整个列车通过无线电和4G网络将数据传输到铁路的云端。工业手机路由器从菲尼克斯电气通过电话网络进行通信,并能胜任铁路使用。
手机路由器

图4:手机路由器用于在机车的VLAN和铁路总部之间进行无线通信(资料来源:Phoenix Contact)
PLC的总线接口包括以太网EGD,Genius,DeviceNet和Interbus-S。FieldBus接口是受欢迎的,因为它们在工业环境中是常见的,因为它们易于使用。许多GE机车上发现的PLC是Phoenix Contact 的VersaMax工业PLC。这些卡入普通的DIN导轨骨架,或者可以方便地拧入机柜面板。
现代机车也使用单板计算机(SBC),它们使用流行的COM Express总线,通常用于工业IoT系统的边缘节点。这些SBC支持千兆以太网网络,并可连接到本地外设,如具有板上USB连接的打印机。通过交换SD卡可轻松更改代码存储器。重要的是要注意,所有的计算设备,硬件和网络协议与工厂自动化中使用的相同。
手机路由器

图5: 凌华科技的Express-HL COM Express板用于工业自动化和铁路。(来源:凌华科技)

自动油门,制动器和齿轮控制

机车的节气门,制动和选定齿轮比的自动化操作是基于列车及其周围环境的精确传感器测量。传感器测量风速和方向,并根据机车和连接车辆的重量,形状和惯性来计算对列车的有效力和方向。这时火车的大量惯性对于实时控制至关重要。天气也是一个因素,特别是如果有雨或雪。考虑轨道的拓扑结构,包括火车是在升级,下坡还是水平轨道。所有这些传感器数据都被馈送到机车的计算机系统,以帮助确定正确的油门和制动控制。
火车喇叭和钟声在某些列车活动中需要以特定的格局发出声音。例如,在美国,当站立喇叭时应用制动器会发出一声短暂的声音。当刹车从准备运送到从站立停止的火车时,喇叭需要发出两声长时间的爆发声。当备份时,喇叭的三个短阵发出声音。而在过去,这是由操作员手动完成的,在现代机车中,现在由火车的电脑控制。
在火车内部的火车是一个巨大的柴油发动机。GE Evolution系列机车采用大型12缸柴油发动机,产生高达6,200马力(4,620千瓦)。工业级车载计算机系统以与飞机上的自动飞行员相同的方式使整个列车的运行自动化。节气门,制动器和传动装置根据传感器读数进行控制,并与GPS数据,计划路线,预期高程变化以及负载的大小和类型进行比较。效率是关键,一切都是为了提供最佳的燃油经济性。
确定列车加速转矩和力的基本公式如下:
力/力矩公式

公式1:计算大型列车的加速转矩和力
这些计算的关键是所有的传感器读数,用于确定火车的大量总体系统惯量WK。虽然这是上述公式中的单个变量,但它是通过考虑列车上数百个传感器来确定的,这些传感器通过机车计算机系统中的复杂算法运行。只有在正确计算的情况下,列车的节气门,制动器和传动装置的自动化成为可能。
当然,减速也是自动化的,在紧急情况下尤为重要。如果火车需要减速,因为前置摄像头成像分析检测到障碍物,则前方雷达提供到机车计算机系统的障碍物的关闭距离。计算出该时刻整个列车的速度和总系统惯量,确定减速转矩和力。根据计算出的停车优化距离,确定适当的齿轮比和制动力,计算机应用制动器停止列车。计算机还会重复发出喇叭声,作为警告。如果计算机确定火车在到达障碍物之前不能及时减速,
车轮滑移是机车运行中最薄弱环节之一。驱动轮过度滑动导致效率降低,燃油经济性下降,并可能危及列车的安全。虽然过去的滑差仅仅由驾驶员的技能控制,但是今天的机车的工业物联网系统是最大限度地减少这一重要问题的有效途径。滑差是通过将多普勒雷达测得的机车的实际速度与驱动轮的旋转进行比较来测量的,这与马达电流成比例。如果两者不匹配,则火车的电脑可自动调整电机电流,以确保驱动轮和轨道之间的最大牵引力。

维护和效率

该计算机还控制到机车电气部件的多少功率。这包括风扇,电池充电器,鼓风机,灯和边缘电脑。这种控制也是由于感应电池温度,速度和状态的传感器。这种控制水平提高了发动机的可靠性,同时使机车更加高效。预测性维护是工业物联网的另一个重要特征。测量轴承温度并用于预测轴承的使用寿命。车轮形状由传感器测量,传感器可以预测车轮是否会不经常运行,或者即使离开轨道。
整个火车在网络上的状态也被测量。每个门,舱门和门都被监控或打开或关闭位置,并且在许多情况下,计算机可以自动打开和关闭。数百个传感器本身进行自我诊断,以确定在故障前是否需要更换。
每个传感器读数,列车所采取的每一个动作,都由计算机记录在盒子里,就像在飞机上发现的“黑匣子”一样。此后可以检查这些数据,以发现优化火车运行的新方式。

结论

现代柴油机车距离一百年前的手动蒸汽发动机已经有很长的路要走。每个机车都是自己的工业发电厂,拥有数百个传感器,其运行方式与固定式发电厂完全相同。所有这些自动化提高了效率,节省了数百万加仑的燃料,提高了安全性,延长了当今机车的使用寿命。

(责任编辑:ioter)

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