sinteza raportului Ştiinłific Şi tehnic - mrcf.pub.ro stiintific si tehnic_etapa i_2017.pdf ·...
TRANSCRIPT
SINTEZA RAPORTULUI ŞTIINłIFIC ŞI TEHNIC
Contract de finanŃare: 201PED ⁄ 17.08.2017
Cod proiect: PN-III-P2-2.1-PED-2016-0212
Titlul proiectului: Metodă pentru detectarea defectelor suspensiei
vehiculului feroviar bazată pe analiza corelatiei încrucişate
Etapa 1: Proiectarea sistemului experimental demonstrativ
pentru testarea funcŃionalităŃii metodei de detectare a defectelor
în suspensia vehiculelor feroviare
Director de proiect: Mădălina Dumitriu
1
1.1. Stabilirea configuraŃiei lanŃului de măsurare al
sistemului experimental demonstrativ
1.1.1. Stabilirea domeniilor măsurabile şi a parametrilor de achiziŃie date
1.1.1.1. Principiul metodei de detectare a defectelor suspensiei vehiculului
feroviar bazată pe analiza corelatiei încrucişate
În această secŃiune sunt descrise sintetic principiul şi avantajele metodei de detectare a
defectelor în suspensia verticală a vehiculului feroviar pe baza analiza corelaŃiei încucişate a
acceleraŃiilor măsurate pe cadrul de boghiu în dreptul suspensiei corespunzătoare fiecărei osii,
care urmează a fi testată experimental în cadrul proiectului. În esenŃă, este vorba de o metodă
care se bazează pe modificarea proprietăŃilor dinamice ale unui boghiu convenŃional cu două
osii atunci când în sistem apare un defect al amortizorului, acesta constituind elementul critic
al suspensiei din punctul de vedere al fiabilităŃii.
Metoda propusă exploatează avantajul construcŃiei simetrice a boghiului din punct de
vedere geometric, inerŃial şi elastic, ceea ce permite ca vibraŃiile în plan vertical să poată fi
considerate decuplate de cele în plan orizontal. De asemenea, datorită faptului că în suspensia
corespunzătoare fiecărei osii sunt utilizate în mod normal elemente elastice şi de amortizare
identice, vibraŃiile verticale de săltare şi de galop ale boghiului sunt decuplate [1]. Un
amortizor defect în oricare dintre suspensiile celor două osii va produce însă un dezechilibru
în sistem, având ca rezultat interferenŃe dinamice între cele două vibraŃii – săltare şi galop.
Nivelul de interacŃiune al vibraŃiilor de săltare şi galop constituie un indiciu cheie al stării
suspensiei, iar acesta se va estima utilizând analiza corelaŃiei încrucişată a acceleraŃiilor
măsurate pe cadrul de boghiu în dreptul suspensiei corespunzătoare fiecărei osii.
Fig. 1.1. Schema de principiu a metodei de detectare a defectelor.
2
Principiul metodei de detectare a defectelor amortizoarelor din suspensia primară
verticală a boghiului este ilustrat schematic în fig. 1.1. Aşa cum se observă, aceasta are la
bază acceleraŃiile măsurate pe cadrul de boghiu, deasupra suspensiei din faŃă şi a celei din
spate. Pentru a creşte sensibilitatea şi acurateŃea metodei, acceleraŃiile măsurate sunt filtrate
pe domeniul frecvenŃelor de rezonanŃă ale vibraŃiilor de săltare şi galop ale boghiului (5 – 10
Hz) prin aplicarea unui filtru trece-bandă. În acest domeniu răspunsul sistemului este maxim
şi este cel mai sensibil la modificarea amortizării [2].
Avantajul metodei propuse derivă în primul rând din faptul că este o metodă bazată pe
semnal şi, prin urmare, nu necesită, ca în cazul metodelor bazate pe model, o modelare
matematică complexă a sistemului şi cunoaşterea parametrilor acestuia sau a condiŃiilor
externe (ex. neregularităŃile căii de rulare) [3 - 6], oferind astfel beneficii suplimentare legate
de robusteŃe faŃă de neliniarităŃi şi incertitudini ale parametrilor. Singurii parametrii care
interesează sunt viteza şi ampatamentul boghiului, necesari pentru calculul întârzierii
răspunsului boghiului în dreptul celor două suspensii. În comparaŃie cu alte metode bazate pe
semnal care utilizează semnalele absolute obŃinute direct prin măsurarea acceleraŃiilor şi care
prezintă dificultăŃi în detectarea defectelor deoarece caracteristicile de vibraŃie pot varia în
funcŃie de condiŃiile de circulaŃie [4, 7 - 9], metoda corelaŃiei încrucişate se bazează pe
comparaŃii relative între măsurători şi, prin urmare, efectul factorilor care influenŃează ieşirile
este redus [10 - 13].
Deşi, în cazul de faŃă, metoda se aplică pentru detectarea defectelor în suspensia primară
verticală, ea poate fi extinsă şi pentru suspensia primară laterală sau pentru monitorizarea
suspensiei secundare (verticală sau laterală). În ceea ce priveşte sistemul de măsurare a
vibraŃiilor, acesta este independent de configuraŃia şi parametrii boghiului şi, prin urmare,
poate fi uşor implementat pe orice tip de boghiu.
1.1.1.2. Parametrii măsuraŃi şi stabilirea domeniului valorilor măsurate
Din descrierea succintă a metodei de detectare a defectelor suspensiei unui vehicul feroviar bazată pe analiza corelaŃiei încrucişate prezentată mai sus rezultă că aceasta se
bazează pe efectul pe care îl are defectarea unui amortizor din suspensia primară vehiculului
asupra răspunsului boghiului la excitaŃiile induse de neregularităŃile verticale ale căii de
rulare. Acest efect este cuantificat pe baza analizei corelaŃiei încrucişate a acceleraŃiilor
măsurate pe cadrul de boghiu în dreptul suspensiei corespunzătoare fiecărei osii. Pentru
aceasta, trebuie să se Ńină seama de faptul că boghiul vehiculului este privit ca un sistem
dinamic cu două intrări, reprezentate de osiile boghiului, în care mărimea de intrare – excitaŃia
datorată neregularităŃilor verticale ale căii - acŃionează cu o anumită întârziere în dreptul osiei
din spate în raport cu osia din faŃă. Această întârziere este dată de distanŃa dintre osiile
boghiului, respectiv de ampatamentul acestuia (2ab), şi de viteza de circulaŃie (V), conform
relaŃiei: T = 2ab/V.
3
Tabelul 1.1. Valorile ampatamentului pentru boghiurile care echipează vagoanele de călători.
Tip boghiu Y 32 Minden-Deutz GP 200 ZS 19058 Pa Goerlitz
Ampatament [mm] 2560 2500 2600 1670 2500
Ampatamentul boghiului reprezintă o dimensiune fundamentală, care este precizată în
documentaŃia tehnică (cartea tehnică) corespunzătoare fiecărui tip de boghiu. În tabelul 1.1
sunt prezentate valorile ampatamentului pentru diferite tipuri de boghiuri care echipează
vagoanele de călători exploatate în Ńara noastră.
Prin urmare, rezultă că pentru implementarea acestei metode este necesar să se măsoare
acceleraŃia verticală la nivelul cadrului de boghiu în dreptul suspensiei corespunzătoare
fiecăreia dintre cele două osii, precum şi viteza de circulaŃie.
Pentru alegerea corectă a tipului de accelerometru ce poate fi utilizat pentru măsurarea
acceleraŃiei boghiului este nevoie să se cunoască domeniul valorilor în care aceasta se poate
situa, precum şi domeniul frecvenŃelor proprii ale vibraŃiilor de săltare şi galop ale boghiurilor
vehiculelor de călători. Aceste date sunt necesare şi pentru definirea caracteristicilor
sistemului de prelucrare a datelor măsurate, respectiv rata de eşantionare a semnalelor şi frecvenŃele de tăiere ale filtrelor de condiŃionare, care au rolul de a atenua semnalele parazite
care se suprapun peste semnalul util şi de a elimina efectul de suprapunere a componentelor
armonice care pot să apară în timpul operaŃiei de eşantionare – filtre anti-aliasing.
Se precizează faptul că semnalele reprezentând acceleraŃia măsurată la nivelului
cadrului de boghiu sunt de tipul semnalelor continue, iar prelucrarea acestora cu ajutorul
tehnicii de calcul presupune transformarea lor în semnale discrete. Pentru aceasta, este nevoie
să se aplice acestor semnale operaŃii de eşantionare şi de filtrare, ultima dintre aceste două
operaŃii, efectuându-se cu ajutorul filtrelor numerice.
Pentru a stabili domeniul de frecvenŃă în care trebuie măsurată acceleraŃia la nivelul
cadrului de boghiu este nevoie să se cunoască caracteristicile de vibraŃie ale vehiculului
feroviar în general şi, în particular, ale boghiului. În acest context, sunt descrise mişcările
oscilatorii ale vehiculului feroviar - modurile rigide şi modurile complexe de vibraŃie, globale
sau locale, datorate caracteristicilor de elasticitate ale cutiei [14]. Tot aici se arată că vibraŃiile
vehiculului feroviar sunt vibraŃii de joasă frecvenŃă situate între 0 şi 20 Hz, care se dezvoltă
atât în plan vertical, cât şi în plan orizontal. Se notează, de asemenea, faptul că din punct de
vedere constructiv vehiculul respectă în general regulile de simetrie geometrică, inerŃială şi
elastică, iar în aceste condiŃii mişcările în plan vertical pot fi considerate decuplate de cele în
plan orizontal şi, prin urmare, tratate separat [1, 14].
DiscuŃia se concentrează mai departe asupra vibraŃiilor verticale ale vehiculului
feroviar, cu referire la săltarea şi galopul boghiului şi la condiŃia de decuplare a acestor
moduri de vibraŃie.
Cu toate că există o multitudine de tipuri de vagoane de călători, construcŃia acestora
respectă o condiŃie de bază - condiŃia de decuplare a vibraŃiilor la vehiculele feroviare. Pentru
evitarea cuplării diferitelor tipuri de vibraŃii este necesar ca frecvenŃele proprii ale vehiculului
să se regăsească în anumite intervale strict delimitate.
4
Pentru aceasta, trebuie în primul rând luate în considerare excitaŃiile care determină
oscilaŃii forŃate ale vehiculului. În raport cu frecvenŃele de excitaŃie se pot localiza apoi
frecvenŃele proprii ale vehiculului.
În domeniul de frecvenŃă 0 ... 20 Hz în care se situează modurile de vibraŃie ale
vehiculului feroviar se regăsesc şi valori critice ale frecvenŃelor perturbatoare datorate trecerii
peste defecte locale ale căii, cum ar fi joantele, sau frecvenŃele datorate defectelor roŃilor. De
exemplu, frecvenŃa de excitaŃie dată de joante (de primele două armonici) pentru viteze de
circulaŃie cuprinse între 100 şi 200 km/h este cuprinsă între 1,5 şi 9 Hz, iar imperfecŃiunile
roŃilor determină excitaŃii periodice a căror frecvenŃă se situează între 9,5 şi 19 Hz (v. fig.
1.2). În unele situaŃii este necesar să se stabilească frecvenŃele proprii ale boghiurilor în afara
acestor valori critice, date de frecvenŃele perturbatoare la trecerea peste joantele şinelor sau
cele datorate defectelor roŃilor. Apoi, trebuie avut în vedere ca frecvenŃa proprie înaltă a
mişcării de săltare şi frecvenŃa mişcării de galop a boghiurilor să se găsească în afara zonei
specifice frecvenŃelor proprii de încovoiere verticală a cutiei vehiculului [1].
Fig. 1.2. Zonele de frecvenŃă critică pentru vibraŃiile verticale ale boghiurilor.
În literatura de specialitate se indică faptul că frecvenŃa proprie a vibraŃiilor de săltare
ale boghiului se alege în general în intervalul 5 - 7 Hz, iar frecvenŃa de galop poate ajunge
până la 10 Hz [15].
Referitor la mărimea acceleraŃiilor verticale la nivelul cadrului de boghiu, trebuie arătat
faptul că în reglementările tehnice feroviare nu sunt cuprinse valori limitative; acestea se
referă doar la valorile acceleraŃiilor verticale ale cutiei - v. Fişa UIC 518 [16]. Pe baza
literaturii de specialitate, se poate aprecia însă că valorile maxime ale acceleraŃiilor verticale
ale cadrului de boghiu la vagoanele de călători nu depăşesc 5g m/s2.
După cum se menŃiona mai sus, semnalele electrice reprezentând acceleraŃia măsurată la
nivelul cadrului de boghiu trebuie să fie supuse operaŃiei de eşantionare. Pentru ca prin
această operaŃie să nu se piardă din informaŃia conŃinută de semnalul analogic care este
transformat prin eşantionare, trebuie aplicată teorema eşantionării a lui Shannon. Conform
acestei teoreme, frecvenŃa minimă de eşantionare trebuie să fie dublul frecvenŃei componentei
cu frecvenŃa cea mai înaltă care se doreşte să se regăsească în semnalul eşantionat. Trebuie
înŃeles că această valoare este o valoare minimală şi că în practică se merge pe frecvenŃe de
cel puŃin 5 – 10 mai mari decât limita indicată de teorema eşantionării a lui Shannon. În cazul
de faŃă, ne propunem ca frecvenŃă minimă de eşantionare valoarea de 200 Hz. Trebuie
subliniat faptul că o frecvenŃă prea mare de eşantionare va avea ca efect limitarea duratei de
5
înregistrare a semnalelor utile ale aplicaŃiei, având în vedere faptul că orice înregistrare
trebuie stocată pe o unitate de memorie.
Aşa cum s-a arătat, un alt parametru care trebuie măsurat este viteza de circulaŃie a
vehiculului. Având în vedere condiŃiile de circulaŃie de pe reŃeaua CFR, se apreciază că
valoarea maximă a vitezei ce trebuie măsurată este 200 km/h.
1.1.2. Proiectarea configuraŃiei lanŃului de măsurare al sistemului experimental
demonstrativ, cu precizarea caracteristicilor echipamentelor de măsurare
a vibraŃiilor şi vitezei de circulaŃie
Obiectivul general al proiectului este axat pe proiectarea şi realizarea unui sistem
experimental demonstrativ în vederea utilizării acestuia pentru testarea funcŃionalităŃii
metodei de detectare a defectelor în suspensia vehiculelor feroviare bazată analiza corelaŃiei
încrucişate a acceleraŃiilor măsurate pe cadrul de boghiu în dreptul fiecărei osii, descrisă în
secŃiunea anterioară. În sistemul experimental demonstrativ trebuie integrate mai multe
componente: sistemul de măsurare, achiziŃie şi prelucrare a acceleraŃiilor boghiului şi
receptorul GPS destinat monitorizării şi înregistrării vitezei de circulaŃie.
Realizarea obiectivului general presupune atingerea unor obiective specifice, iar primul
dintre acestea constă în proiectarea lanŃului de măsurare al sistemului experimental
demonstrativ.
1.1.2.1. Schema bloc a lanŃului de măsurare al sistemului experimental demonstrativ
Măsurarea vibraŃiilor boghiului, respectiv a acceleraŃiilor în dreptul suspensiei
corespunzătoare fiecăreia dintre cele două osii, şi a vitezei de circulaŃie presupune utilizarea
mai multor aparate specializate care sunt legate între ele formând astfel un lanŃ de măsurare.
În figura 1.3 este prezentată structura generală a unui lanŃ de măsurare a vibraŃiilor.
Acesta se compune dintr-unul sau mai multe accelerometre, aparate de eşantionare şi
condiŃionare a semnalului electric şi transferul datelor – echipamentul de achiziŃie şi
prelucrare a datelor. Toate aceste aparate sunt conectate la un calculator.
Fig. 1.3. Structura generală a unui lanŃ de măsurare a vibraŃiilor.
6
Fig. 1.4. Accelerometrul Brüel & Kjær tip 4514.
1.1.2.2. Caracteristicile generale ale accelerometrelor piezoelectrice. Caracteristicile
accelerometrului piezoelectric Brüel & Kjær tip 4514
Aşa cum se cunoaşte, accelerometrele piezoelectrice reprezintă cea mai bună soluŃie
pentru toate măsurările de vibraŃii datorită unor avantaje incontestabile: precizie, liniaritate
pentru un domeniu dinamic extins, gama largă a frecvenŃelor de lucru, menŃinerea în timp a
sensibilităŃii, robusteŃe, masă mică, semnalul electric dat de accelerometru poate fi integrat şi
se obŃine viteza şi deplasarea, nu necesită sursă de alimentare.
În prima parte a acestei secŃiuni se discută despre caracteristicile de bază care trebuie
avute în vedere la alegerea accelerometrelor piezolectrice – sensibilitatea în funcŃie de
frecvenŃă, sensibilitatea transversală, sensibilitatea în funcŃie de temperatură, limita minimă a
acceleraŃiei ce poate fi măsurată ş.a. Urmează apoi o descriere a accelerometrelor care vor fi
utilizate în cadrul proiectului pentru măsurarea acceleraŃiilor la nivelul cadrului de boghiu.
Este vorba de accelerometre piezolectrice marca Brüel & Kjær tip 4514 (v. fig. 1.4) [17].
Domeniul de măsurare al accelerometrului acoperă o bandă foarte largă de frecvenŃă ce
se întinde până la cca. 10 kHz. Acest lucru este permis de valoarea înaltă a frecvenŃei de
rezonanŃă care este situată la 32 kHz. Sensibilitatea transversală, determinată la 30 Hz pentru
o acceleraŃie de 100 ms-2, este mai mică de 5% din sensibilitatea pe direcŃia principală.
Domeniul de măsurare acoperă plaja ±4900 ms-2. ImpedanŃa de ieşire este 20 Ω.
Zgomotul intern are valoare eficace de 8 mV în toată banda
de frecvenŃă de la 1 Hz la 10 kHz. Această valoare corespunde
unei acceleraŃii eficace de 0,008 ms-2. Coeficientul de sensibilitate
în funcŃie de temperatură este 0,11% / ºC, iar accelerometrul poate
lucra la temperaturi cuprinse între -51 şi 121 ºC .
ConstrucŃia accelerometrului este din titan, iar elementul
piezoelectric este de tip ceramic. ConstrucŃia este compactă, având
dimensiunile 14,5 mm × 23 mm, foarte robustă şi rezistentă la
şocuri de până la 50 kms-2. Accelerometrul este protejat împotriva
umezelii sau apei, construcŃia sa fiind perfect ermetică. În fine,
masa accelerometrului este foarte mică, de numai 8,6 grame.
Fig. 1.5. Răspunsul în frecvenŃă al accelerometrului Brüel & Kjær tip 4514.
7
În figura 1.5 este prezentat răspunsul în frecvenŃă al unuia dintre accelerometrele care
vor fi utilizate pentru măsurarea acceleraŃiilor la nivelul cadrului de boghiu. Sensibilitatea
accelerometrului este de 1,006 mV/ms-2 şi ea a fost stabilită prin măsurarea unei acceleraŃii
sinusoidale având valoarea eficace de 20 ms-2 la frecvenŃa de 159,2 Hz, temperatura ambiantă
fiind de 22,5 C. În diagramă apare abaterea procentuală faŃă de această valoare.
Fixarea accelerometrului de cadrul de boghiu testat se poate face cu ştift, magnet sau
prin lipire. Indiferent de soluŃie, este necesar ca fixarea să fie fermă şi cât mai rigidă astfel
încât rezultatele să nu fie influenŃate de rezonanŃa prinderii accelerometrului. Este necesar ca
suprafaŃa de fixare să fie curată, plană şi lustruită. Abaterea de planeitate nu trebuie să
depăşească 10 µm, iar rugozitatea trebuie să fie mai mică de 2 µm.
Fig. 1.6. Fixarea accelerometrelor pe cadrul de boghiu.
Pentru măsurarea acceleraŃiilor boghiului se va opta pentru fixarea accelerometrului cu
ajutorul unor ştifturi care se înfiletează în piluliŃele lipite cu adeziv pe lonjeronul cadrului de
boghiu în dreptul suspensiei corespunzătoare fiecărei osii. Un exemplu pentru un astfel de
montaj este prezentat în fig. 1.6, în care accelerometrul a fost fixat de lonjeronul cadrului unui
boghiu de tip Minden-Deutz.
1.1.2.3. Caracteristicile echipamentului de achiziŃie şi prelucrare a datelor
Pentru achiziŃia şi prelucrarea acceleraŃiilor măsurate la nivelul cadrului de boghiu se
vor utiliza echipamente produse de National Instruments, cuprinzând un ansamblu format din
şasiul de achiziŃie şi prelucare a datelor tip NI cDAQ-9174 (National Instruments Compact
DAQ) în care se pot monta module seriale având diverse funcŃii specializate.
Şasiul pentru achiziŃia de date NI cDAQ – 9174, prezentat în fig. 1.7, este prevăzut cu 4
canale, fiind proiectat pentru utilizarea modulelor seriale I/O (intrare/iesire – input/output).
Acesta poate fi folosit la măsurarea unui domeniu larg de semnale analogice şi digitale
utilizând o interfaŃă USB de mare viteză. Fiecare canal are un convertor digital-analog care produce un semnal de tensiune şi este protejat la supratensiune şi scurt – circuit [17].
8
Fig. 1.7. Ansamblul şasiu NI cDAQ – 9174 – module seriale.
Sistemul de achiziŃie a datelor (v. fig. 1.8) are trei componente: modulele seriale de
intrare/ieşire (C Series I/O modules), interfaŃa modulului de achiziŃie a datelor (cDAQ) şi
STC 3. În funcŃie de specificul aplicaŃiei, aceste componente digitalizează semnale,
efectuează conversii D/A (digital/analog) pentru a genera semnale analogice de ieşire,
măsoară şi controlează semnalele digitale I/O şi asigură condiŃionarea semnalelor.
Fig. 1.8. Diagrama bloc a sistemului de achiziŃie a datelor.
Modulele seriale (C Series I/O) realizează condiŃionarea semnalului. Este disponibilă o
mare varietate de tipuri de semnale I/O, permiŃând adaptarea uşoară a sistemului de achiziŃie a
datelor la aplicaŃiile industriale şi de cercetare. Modulele seriale sunt interschimbabile şi sunt
identificate automat de către sistemul de achiziŃie a datelor.
Canalele I/O sunt accesibile utilizând programe specializate. Modulele seriale lucrează
cu orice tip de semnal şi acoperă un domeniu extins de tensiune şi de aceea, senzorii sau
actuatoarele se conectează direct la acestea. Modulele seriale I/O asigură izolarea între canal
şi masă, precum şi între canale. InterfaŃa modulului de achiziŃie a datelor manageriază
transferurile de date între STC 3 şi modulele seriale. De asemenea, interfaŃa manipulează
autodetecŃia, preluarea semnalelor şi sincronizarea.
Modulul STC 3 gestionează independent mai multe fluxuri de date de mare viteză,
semnale analogice şi digitale de intrare-ieşire, semnale de la interfaŃa funcŃiilor programabile,
achiziŃionează şi generează unde de semnale digitale, stabileşte moduri de activare etc.
9
Fig. 1.9. Modulul serial NI 9234.
Pentru preluarea şi sinteza fluxului de date analogice de la cele două accelerometre se
utilizează modulul NI 9234 (fig. 1.9) [17]. Acesta este prevăzut cu patru canale, capabil să
lucreze cu mare precizie pentru măsurători în domeniul frecvenŃelor înalte efectuate cu
senzori piezoelectrici (accelerometre sau microfoane). Domeniul dinamic al modulului
acoperă 102 dB, iar frecvenŃa de eşantionare pe fiecare canal este de până la 51,2 kHz. Pentru
evitarea efectului de suprapunere a componentelor spectrale, modulul are încorporate filtre
antialiasing care se acordează automat în funcŃie de frecvenŃa de eşantionare.
Sistemul de măsurare a vibraŃiilor prezentat este conectat la un laptop în care este
implementat mediul software Matlab, în care va fi dezvoltată aplicaŃia software de achiziŃie de
date, control, procesare, stocare, reprezentare şi integrare cu interfaŃa utilizator.
1.1.2.4. Caracteristicile receptorului GPS pentru monitorizarea şi înregistrarea
vitezei de circulaŃie a vehiculului
Pentru monitorizarea şi înregistrarea vitezei de circulaŃie a vehiculului pe care se
efectuează încercările experimentale, în lanŃul de măsurare se integrează receptorul GPS tip
NL-602U, prezentat în figura 1.10. Cele mai importante caracteristici ale acestui tip de
receptor GPS sunt prezentate în tabelul 1.2 [20].
Fig. 1.10. Receptorul GPS tip NL-602U.
10
Tabelul 1.2. Caracteristicile receptorului GPS tip NL-602U.
Receptorul GPS se conectează cu ajutorul portului USB la laptop şi cu un software de
navigaŃie compatibil cu sistemul de operare Windows. Este vorba de soft-ul u-Center care
oferă o modalitate rapidă şi simplă de interfaŃă cu GPS-ul.
Fig. 1.11. Vizualizarea datelor de navigaŃie cu ajutorul soft-ului u-Center.
Cipset: u-blox 6 UBX-G6000-BT
FrecvenŃa: GPS: L1, 1575.4200 MHz
Acceptă semnalele a până la 50 sateliŃi în acelaşi timp
Suporta AssistNow online / offline, SBAS (WAAS, EGNOS, QZSS and MSAS)
Suportă protocoalele NMEA 0183: GGA, GSA, GSV, RMC, VTG
Viteza Baud până la 115200 bps
Rata update: până la 5 Hz
Sensibilitate max. -162 dBm
Clasa protecŃie IPX6
Temperatura de operare: -20 °C ~ 60 °C
Sursa de alimentare: 5 V DC
Consum curent: max. 80 mA
AcurateŃe poziŃionare: 2.5 m CEP (Circular Error Probable) şi 2 m CEP cu SBAS
11
u-Center asigură o serie de facilităŃi de monitorizare, înregistrare şi redare a datelor de
navigaŃie (poziŃie, viteză, timp, urmărire prin satelit, etc) sub diferite scenarii de test. De
asemenea, permite prelucrarea şi analiza datelor capturate şi transferul lor în software-uri
standard pentru aplicaŃii (ex. Microsoft Office Excel). Datele de navigaŃie sunt vizualizate în
timp real sub formă structurală şi grafică (a se vedea ca exemplu fig. 1.11) [20].
1.1.3. Proiectul lanŃului de măsurare al sistemului experimental demonstrativ
Odată stabilite componentele lanŃului de măsurare al sistemului experimental
demonstrativ destinat testării funcŃionalităŃii metodei de detectare a defectelor în suspensia
vehiculelor feroviare şi caracteristicile acestora se poate trece la elaborarea proiectului.
Fig. 1.12. Proiectul lanŃului de măsurare al sistemului experimental demonstrativ.
Proiectul lanŃului de măsurare al sistemului experimental demonstrativ este prezentat în
figura 1.12 sub forma unei scheme bloc în care se regăsesc, pe de o parte, componentele care
formează sistemul de măsurare, achiziŃie şi prelucrare a acceleraŃiilor verticale ale boghiului
12
în dreptul suspensiei corespunzătoare fiecăreia dintre cele două osii, respectiv 2 accelerometre
piezoelectrice Brüel & Kjær tip 4514 (v. § 1.1.1.2) şi ansamblul format din şasiul pentru
achiziŃie date tip NI cDAQ-9174 şi modulul NI 9234 pentru preluarea şi sinteza fluxului de
date de la cele două accelerometre (v. § 1.1.1.3), iar pe de altă parte receptorul GPS tip NL-
602U destinat monitorizării şi înregistrării vitezei de circulaŃie a vehiculului în timpul
efectuării măsurătorilor, prezentat în § 1.1.1.4. Atât componentele sistemului de măsurare,
achiziŃie şi prelucrare a acceleraŃiilor boghiului, cât şi receptorul GPS sunt conectate la un
laptop prin intermediul porturilor USB.
1.2. Proiectare software achiziŃie date, control, procesare, stocare,
reprezentare şi integrare cu interfaŃa utilizator
La începutul secŃiunii 1.1.2 s-a arătat că pentru realizarea obiectivului general al
proiectului - proiectarea şi realizarea unui sistem experimental demonstrativ în vederea
utilizării acestuia pentru testarea funcŃionalităŃii metodei de detectare a defectelor în suspensia
vehiculelor feroviare bazată pe analiza corelaŃiei încrucişate a acceleraŃiilor măsurate pe
cadrul de boghiu în dreptul fiecărei osii, este necesar să se atingă mai multe obiective
specifice. După proiectarea configuraŃiei lanŃului de măsurare al sistemului experimental
demonstrativ, următorul obiectiv specific ce trebuie realizat constă în proiectarea software-
ului ce urmează a fi utilizat în timpul măsurătorilor de acceleraŃii. Este vorba de un software
dedicat achiziŃiei de date, control, procesare, stocare, reprezentare şi integrare cu interfaŃa
utilizator.
Prima etapă în procesul de dezvoltare al software-ului menŃionat mai sus constă în
proiectarea arhitecturii, lucru care presupune parcurgerea mai multor paşi, conform schemei
prezentată în fig. 1.13. Înainte de a defini cerinŃele, trebuie definit produsul software ce urmează a fi proiectat
– ce va fi şi ce va face acesta. În cazul de faŃă, s-a arătat că este vorba de un software dedicat
achiziŃiei de date – acceleraŃiile măsurate pe cadrul de boghiu în dreptul suspensiei
corespunzătoare fiecărei osii, controlul, procesarea, stocarea, reprezentarea şi integrarea cu
interfaŃa utilizator a acestor date.
Definirea cerinŃelor iniŃiale reprezintă primul pas în procesul de proiectare a arhitecturii
software. Practic, această fază are ca rezultat o definire simplă a problemei ce urmează a fi
rezolvată, după cum urmează:
FuncŃionalitate. Software proiectat pentru utilizare în scop experimental; achiziŃia
acceleraŃiilor măsurate în două puncte ale cadrului de boghiu, procesarea, stocarea,
acestor date şi integrarea lor cu interfaŃa utilizator;
InterfaŃa cu utilizatorul. Ecranul de comandă - control a măsurătorilor şi
reprezentarea datelor achiziŃionate va cuprinde obligatoriu următoarele elemente:
13
Fig. 1.13. Etapele proiectării arhitecturii software-ului dedicat achiziŃiei de date, control, procesare, stocare, reprezentare şi integrare cu interfaŃa utilizator.
- ferestre de control (obiecte de tip edit text) pentru configurarea parametrilor
specifici sesiunii de achiziŃie date (durata sesiunii de achiziŃie date şi numărul
de înregistrări/secundă, viteza); acestea trebuie să permită utilizatorului
editarea sau ştergerea şi înlocuirea unei valori tipărite iniŃial.
- butoane de comandă pentru: conectarea cu sistemul de măsurare achiziŃie şi
prelucrare a datelor; vizualizarea datelor; salvarea datelor; reiniŃializarea
aplicaŃiei.
- ferestre pentru reprezentarea grafică a datelor achiziŃionate.
- obiecte de tip text static pentru etichetarea fiecărei ferestre de control, buton de
comandă şi fereastră pentru reprezentare grafică, care să furnizeze
utilizatorului informaŃii privind funcŃiile acestora.
1.2.1. Elaborarea specificaŃiei tehnice de programare
Elaborarea specificaŃiei tehnice de programare sau elaborarea specificaŃiilor funcŃionale
reprezintă o etapă importantă, premergătoare proiectării arhitecturii software-ului dedicat
achiziŃiei de date, controlului, procesării şi stocării acestora şi integrării cu interfaŃa utilizator.
Etapa de elaborare a specificaŃiei de programare poate fi realizată numai după ce au fost
stabilite în mod clar cerinŃele software-ului ce urmează a fi proiectat. SpecificaŃiile reprezintă
o descriere funcŃională detaliată, ce respectă cerinŃele iniŃiale şi urmăresc înŃelegerea şi
îndeplinirea acestora în timpul proiectării software-ului.
14
Practic, specificaŃia tehnică de programare se constituie într-o structură, un ghid, un set
de reguli, prin care se descrie ceea ce produsul software ce urmează a fi proiectat va trebui să
facă şi cum să o facă. SpecificaŃia tehnică reprezintă primul pas pentru soluŃionarea problemei
utilizatorului, prin intermediul căreia acesta hotărăşte dacă funcŃionalitatea este potrivită
cerinŃelor.
1.2.1.1. Lista de specificaŃii de programare ale software-ului dedicat achiziŃiei de date,
controlului, procesării şi stocării acestora şi integrării cu interfaŃa utilizator
AplicaŃia software pentru achiziŃia, controlul, procesarea, stocarea şi reprezentarea
datelor - acceleraŃiile măsurate pe cadrul de boghiu, trebuie să realizeze următoarele funcŃii:
1. Conectarea (comunicarea) cu sistemul de măsurare, achiziŃie şi prelucrare a datelor
format din 2 accelerometre piezoelectrice Brüel & Kjær tip 4514 şi ansamblul
format din şasiul pentru achiziŃie date tip NI cDAQ-9174 şi modulul NI 9234 pentru
preluarea şi sinteza fluxului de date de la cele două accelerometre (v. § 1.1.3).
2. Configurarea parametrilor specifici unei măsurători: durata şi numărul de
înregistrări/secundă; caracteristicile accelerometrelor - sensibilitatea.
3. Vizualizarea sub formă grafică a datelor achiziŃionate, acceleraŃie – timp (v. fig.
1.14). După efectuarea măsurătorilor, pe baza reprezentării grafice a datelor
achiziŃionate se va lua decizia salvării acestora în vederea prelucrării ulterioare sau
aplicaŃia se reiniŃializează.
Fig. 1.14. Reprezentarea sub formă grafică a acceleraŃiilor măsurate pe cadrul de boghiu:
(a) în dreptul suspensiei osiei 1; (b) în dreptul suspensiei osiei 2.
4. Datele achiziŃionate vor fi salvate într-un fişier de tip mat.file în vederea procesării
ulterioare a acestora în mediul software Matlab. Numele fişerului trebuie astfel
denumit încât să permită identificarea unei anumite înregistrări după tipul boghiului
şi viteza de circulaŃie a vehiculului recepŃionată în timpul măsurătorilor cu ajutorul
GPS-ului. În ceea ce priveşte datele achiziŃionate, acestea vor fi: timpul, acceleraŃia
măsurată în dreptul suspensiei primei osii a boghiului şi acceleraŃia măsurată în
dreptul suspensiei celei de-a doua osii a boghiului.
15
FuncŃiile aplicaŃiei software pentru achiziŃia, controlul, procesarea, stocarea şi
reprezentarea datelor pot fi cuprinse într-o diagramă conceptuală de forma celei prezentate în
fig. 1.15.
Fig. 1.15. Diagrama conceptuală a aplicaŃiei software pentru achiziŃia, controlul, procesarea şi stocarea datelor.
În ceea ce priveşte interfaŃa aplicaŃiei cu utilizatorul, corespunzător cerinŃelor iniŃiale şi
funcŃiilor menŃionate mai sus, ecranul de comandă - control a măsurătorilor şi reprezentarea
datelor achiziŃionate va cuprinde următoarele elemente:
- 1 buton de comandă pentru conectarea cu sistemul de măsurare, achiziŃie şi
prelucrare a datelor, etichetat cu textul ’Conectare sistem’
- 3 ferestre de control (de tip edit text) pentru configurarea parametrilor specifici
sesiunii de măsurare: o fereastră pentru editarea duratei sesiunii de achiziŃie date
etichetată cu textul ’Durata (s)’; o fereastră pentru editarea numărului de
înregistrări/secundă etichetată cu textul ’Număr de înregistrări’; o fereastră pentru
editarea vitezei de circulaŃie a vehiculului etichetată cu textul ’Viteza (km/h)’.
- 1 buton pentru comanda ’măsurare şi înregistrare date’, etichetat cu textul
’Înregistrare date’.
- 1 buton de comandă pentru vizualizarea sub formă grafică a datelor achiŃionate,
etichetat cu textul ’Vizualizare date’.
- 2 ferestre pentru reprezentarea grafică a datelor achiziŃionate etichetate cu textul
’AcceleraŃie 1’, respectiv ’AcceleraŃie 2’.
16
- 1 fereastră de control (de tip edit text) pentru editarea numelui fişierului de tip
mat.file în care se salvează datele achiziŃionate.
- 1 obiect de tip pop_up care permite utilizatorului să aleagă dintr-o listă de foldere
creată, un folder în care se va salva fişierul de tip mat.file.
- 1 buton de comandă pentru salvarea datelor, etichetat cu textul ’Salvare date’.
- 1 buton de comandă pentru reiniŃializarea aplicaŃiei, etichetat cu textul
’ReiniŃializare’.
1.2.2. Proiectarea arhitecturii software achiziŃie date, control, procesare, stocare,
reprezentare şi integrare cu interfaŃa utilizator
Proiectarea aplicaŃiei software de achiziŃie date, control, procesare şi stocare se va
realiza în mediul de programare Matlab, care oferă setul de instrumente Data Acquisition
Toolbox. Acesta set de intrumente cuprinde funcŃii specializate pentru conectarea la diferite
sisteme de achiziŃie de date, inclusiv cele produse de National Instruments.
Software-ul pentru achiziŃia de date al setului de intrumente Data Acquisition Toolbox
include funcŃii pentru controlul intrărilor analogice, ieşirilor analogice, contorului/
temporizatorului şi subsistemelor I/O digitale ale unui dispozitiv de achiziŃie de date. Datele
pot fi analizate în timpul procesului de achiziŃie sau pot fi salvate pentru postprocesare. În
plus, testele pot fi automatizate şi se pot efectua actualizări iterative ale configuraŃiei de
testare pe baza rezultatelor analizei datelor achiziŃionate [21].
Pentru comunicarea cu dispozitivul National Instruments - şasiul NI cDAQ – 9174, este
necesar să se creeze o sesiune de achiziŃie de date (data acquisition session), prin care se
realizează legătura dintre utilizator, aplicaŃia software, driverul NI cDAQ, saşiul NI cDAQ –
9174 şi modulul serial NI 9234, aşa cum se arată în fig. 1.16 [21].
Fig. 1.16. RelaŃia de comunicare cu şasiul NI cDAQ – 9174. Conform specificaŃiilor de programare prezentate în secŃiunea anterioară, sesiunea de
achiziŃie date trebuie să cuprindă două canale, pentru preluarea fluxului de date de la
accelerometrele montate pe şasiul boghiului în dreptul suspensiei corespunzătoare fiecăreia
dintre cele două osii, şi să fie configurată astfel încât achiziŃia să se facă pe o durată de timp
specificată şi cu anumit număr de înregistrări pe secundă (rată de scanări/secundă). De
asemenea, pentru fiecare canal de măsurare trebuie să se introducă proprietăŃile
accelerometrelor, respectiv sensibilitatea acestora. În elaborarea sesiunii de achiziŃie de date
trebuie să se Ńină cont că, înainte ca datele achiziŃionate să fie salvate, se doreşte ca acestea să
fie vizualizate sub formă grafică.
17
Pentru stocarea datelor achiziŃionate, acestea se vor salva în fişiere de tip mat.file în
vederea postprocesării pentru analiza corelaŃiei încrucişată a acceleraŃiilor măsurate.
Având în vedere cele prezentate mai sus, se poate trece mai departe la proiectarea
arhitecturii software de achiziŃie, control, procesare şi stocare a datelor, bazată pe o sesiune de
achiziŃie de date creată în Matlab pentru dispozitive National Instruments. Arhitectura
software va cuprinde mai multe secvenŃe (secŃiuni), aşa cum se arată în tabelul 1.3 [21].
Tabelul 1.3. Proiectul arhitecturii software achiziŃie, control, procesare
şi stocare a datelor – secvenŃele sesiunii de achiziŃie date.
1. Crearea sesiunii de achiziŃie date În cadrul acestei secŃiuni se creează un obiect de sesiune pentru configurarea şi operarea cu
dispozitivul de achiziŃie de date de la un anumit producător. Pentru aceasta se utilizează
funcŃia daq.createSession('.......'). Pentru conectarea cu saşiul produs de National Instruments, tip NI cDAQ – 9174, sintaxa
pentru definirea funcŃiei pentru sesiunea ’s’ este următoarea:
s = daq.createSession('ni').
2. Adăugarea canalelor analogice de intrare
Pentru adăugarea unui canal de intrare pe dispozitivul reprezentat prin ID-ul acestuia, cu
ID-ul canalului specificat şi tipul de măsurare1 a canalului reprezentat de measureType în
sesiunea s se utilizează funcŃia:
addAnalogInputChannel(s,deviceID,channelID,measurementType)
Pentru adăugarea a două canale analogice de intrare, cu ID-urile ai1 şi ai2, corespunzătoare
modulului NI 9234 aflat în slotul 2 (Mod2) al şasiului cDAQ – 9174 cu ID-ul cDAQ1:
s.addAnalogInputChannel('cDAQ1Mod2', 'ai1', 'Accelerometer')
s.addAnalogInputChannel('cDAQ1Mod2', 'ai2', 'Accelerometer')
Pentru fiecare canal se adaugă sensibilitatea accelerometrului.
3. Configurarea sesiunii de achiziŃie date2:
- Durata sesiunii de achiziŃie date: s.DurationInSeconds = …..
- Numărul de scanări pe secundă: s.Rate = ...... 4. Măsurarea şi înregistrarea datelor
Pentru a o obŃine scanări multiple se utilizează funcŃia startForeground.3
1 ID-ul dispozitivului NI cDAQ pentru subsistemul de intrare analogic reprezentat de modulul serial NI 9234 se obŃine prin lansarea în fereastra de comandă a Matlab-ului a comenzii daq.getDevices. Prin lansarea acestei comenzi se obŃin, de asemenea, ID-urile canalelor de intrare şi tipul măsurătorii. 2 În mod implicit, achiziŃia de date este configurată să funcŃioneze pe o durată de 1 secundă pentru a obŃine 1000 de scanări, cu o rată de 1000 de scanări pe secundă.
18
5. Reprezentarea grafică a datelor achiziŃionate
plot(time,data);
xlabel('Timp [sec]');
ylabel('AcceleraŃie [g]')
6. Salvarea datelor
Pentru stocarea datelor achiziŃionate în vederea postprocesării, acestea se vor salva în
fişiere de tip mat.file, cu ajutorul instrucŃiunii:
save achizitiedateX_tipboghiu_viteza.mat t acc1 acc2; numele fişierului astfel creat
permite identificarea înregistrării după numărul acesteia X dintr-o serie de N înregistrări,
tipul boghiului şi viteza de circulaŃie. t, acc1 şi acc2 reprezintă datele achiziŃionate,
respectiv timpul şi acceleraŃiile măsurate pe cadrul de boghiu.
Fig. 1.17. Schema bloc a proiectului arhitecturii software achiziŃie, control,
procesare şi stocare a datelor. 3 FuncŃia startForeground blochează execuŃia Matlab până când toate datele sunt achiziŃionate. Datele achiziŃionate sunt returnate în perechi TIME-DATA. TIME este o matrice M-by-1, unde M este numărul de scanări. DATA este o matrice M-by-N unde M este numărul de scanări şi N este numărul de canale de intrare.
19
Proiectul arhitecturii software achiziŃie, control, procesare şi stocare a datelor poate fi
reprezentat şi sub formă de schemă bloc. Aceasta este prezentată în fig. 1.17, în care se
identifică secŃiunile sesiunii de achiziŃie date cuprinse în tabelul 1.4. În plus, este marcată şi
secvenŃa de reiniŃializare a aplicaŃiei, care se accesează în situaŃia în care după vizualizarea
sub formă grafică a datelor achiziŃionate se decide crearea unei noi sesiuni de achiziŃie date.
Fig. 1.18. InstrucŃiunile de execuŃie şi configurare a comenzilor de interacŃiune a utilizatorului cu
software-ul de achiziŃie de date, control, procesare şi stocare.
Fig. 1.19. Proiectul interefeŃei grafice cu utilizatorul a software-ului de achiziŃie de date, control,
procesare şi stocare.
20
În continuare este prezentat proiectul interfeŃei grafice cu utilizatorul a software-ului
achiziŃie de date, control, procesare şi stocare, care va fi ulterior construită în Matlab, folosind
pentru aceasta GUI (Graphical User Interfaces). În figura 1.18 sunt prezentate tipurile de
obiecte şi butoane utilizate pentru realizarea specificaŃiilor de programare cuprinse în §
1.2.1.1, iar în fig. 1.19 avem proiectul interfeŃei grafice.
Bibliografie
1. Sebeşan, I., Mazilu, T., VibraŃiile vehiculelor feroviare, Editura MatrixRom, Bucureşti, 2010. 2. Dumitriu, M., Influence of damping suspension on the vibration eigenmodes of railway vehicles,
Mechanical Journal Fiability and Durability, Issue 1, 2013, pp. 109 – 115. 3. Frank, P.M., Ding, S.X., Marcu, T., Model-based fault diagnosis in technical processes,
Transactions of the Institute of Measurement and Control, Vol. 22, Iss. 1, 2000, pp. 57–101. 4. Kraft, S., Funfschilling, C., Puel, G., Aubry, D., Predictive maintenance by the identification of
suspension parameters from online acceleration measurements, Proceedings of ISMA 2010, pp. 3503 – 3518.
5. Tsunashima, H., Hayashi, Y., Mori, H., Marumo, Y., Condition monitoring and fault detection of railway vehicle suspension using multiple-model approach, The 17th World Congress The International Federation of Automatic Control Seoul, Korea, July 6-11, 2008, pp. 584-589.
6. Tsunashima, H., Mori, H., Condition monitoring of railway vehicle suspension using adaptive multiple model approach, International Conference on Control, Automation and Systems 2010, Oct. 27-30, 2010, Gyeonggi-do, Korea, pp. 584-589.
7. Alfi, S., Bionda, S., Bruni, S., Gasparetto, L., Condition monitoring of suspension components in railway bogies, 5th IET Conference on Railway Condition Monitoring and Non-Destructive Testing (RCM 2011), pp. 1 – 6.
8. Oba, T., Yamada, K., Okada, N., Tanifuji K, Condition monitoring for Shinkansen bogies based on vibration analysis, Journal of Mechanical Systems for Transportation and Logistics, Vol. 2, No. 2, 2009, pp. 133–144.
9. Wei, X., Jia, L., Liu, H., A comparative study on fault detection methods of rail vehicle suspension systems based on acceleration measurements, Vehicle System Dynamics, Vol. 51, 2013, No. 5, pp. 700–720.
10. Ding, X.J., Mei, T.X., Fault detection for vehicle suspensions based on system dynamic interactions, Proceedings of the UKACC International Conference on Control, University of Manchester, Sept. 2-4, 2008, Paper Th04.00.
11. Mei T.X., Ding, X.J., A model-less technique for the fault detection of rail vehicle suspensions, Vehicle System Dynamics, Vol. 46, Supplement, 2008, pp. 277–287.
12. Mei T.X., Ding, X.J., Condition monitoring of rail vehicle suspensions based on changes in system dynamic interactions, Vehicle System Dynamics, Vol. 47, No. 9, 2009, pp. 1167–1181.
13. Mei T.X., Ding, X.J., New condition monitoring techniques for vehicle suspensions, 3rd IET International Conference on Railway Condition Monitoring, Derby, UK, 2008, pp.1-6.
14. Dumitriu M., Sebeşan I., Calitatea mersului la vehiculele feroviare, Editura MatrixRom, Bucureşti, 2016.
15. Sebeşan I., Dinamica vehiculelor feroviare, Editura MatrixRom, Bucureşti, 2011. 16. UIC Leaflet 518, Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their
dynamic behaviour – Safety – Track fatigue – Running behaviour, 4th edition, 2009.
21
17. Dumitriu M., Mazilu T., VibraŃii. AplicaŃii numerice şi experimentale, Editura Matrix Rom, Bucureşti, 2012.
18. Brül & Kjær, Vibration test systems, www.bksv.com/vts. 19. NI Compact DAQ – 9174, User manual, National Instruments, July 2011. 20. NL-602U ublox6 USB receiver. Operation manual. 21. https://www.mathworks.com/help/daq/data-acquisition-session.html