Erik van Hilten is technisch marketingengineer bij National Instruments, Bart Sijbrandij is projectmanager bij Incaa Computers en Noël Steentjes is developmentmanager bij Inspectation.

8 July 2016

Een van de speerpunten van Prorail is het terugdringen van storingen die leiden tot treinvertraging of -uitval. Een belangrijke tool in deze strijd is monitoring. Met hulp van Inspectation, Incaa en National Instruments heeft het spoorbedrijf daar de afgelopen jaren flinke stappen in gezet.

Prorail heeft de zorg over meer dan zevenduizend kilometer rails, 2600 overwegen en vierhonderd stations. Het is continu bezig met onderhoud, vernieuwingen en veiligheid op het spoor. Dat is geen sinecure; naar verhouding heeft Nederland een verouderd treinbeveiligingssysteem, met veel storingen in wissels, secties en overwegen – tot voor kort ook in seinen, maar de vervanging van halogeenlampen door ledverlichting heeft de problemen daar zo goed als verholpen. Via prestatiegerichte contracten (zie kader) besteedt Prorail het daadwerkelijke onderhoudswerk uit aan aannemers zoals Volkerrail.

Om het onderhoud adequaat uit te kunnen voeren, is het zaak een goed beeld te hebben van de status en conditie van de spoorweginfrastructuur. Voor Volkerrail verzamelt dochterbedrijf Inspectation de daarvoor benodigde gegevens. Dat doet het onder meer via visuele inspectie of handmatige metingen, ondersteund door een digitaal inspectieplatform. Een stap verder is de inzet van meet- en inspectievoertuigen voorzien van laserscanners en 360-graden-camera’s. Het summum is volledige automatisering: sensoren in de infrastructuur verzamelen continu data, op basis hiervan worden afwijkingen vastgesteld, die geclusterd worden doorgegeven aan de werkvoorbereiding en weggezet als werkorder voor onderhoudsmonteurs.

Inspectation spoor
Foto: Volkerrail – Inspectation

Het aanbestedingscontract voor de regio Zeeland heeft Volkerrail gewonnen met een voorstel om grootschalig online monitoring toe te gaan passen. De ontwikkeling van dit systeem bleek lastiger dan verwacht omdat er geen datalogger bestond die voldeed aan de technische en financiële eisen van Inspectation. In overleg met National Instruments is de keuze toen gevallen op diens Compactrio-oplossing, omdat het daarmee prijstechnisch toch mogelijk was om het systeem grootschalig uit te rollen.

Vervolgens is Inspectation met NI-partner Incaa Computers aan het ontwikkelen geslagen. Het complete platform moest nog worden opgezet: de dataloggers met de embedded software, de backoffice waar de verzamelde gegevens binnenkomen, en de intelligentie die van de meetdata events maakt en daar automatisch afwijkingen in herkent. Binnen een jaar was het Flexmonitoring-platform af en stonden er ruim honderd units in het veld.

Inspectation monitoring collage
Het Flexmonitoring-systeem geeft Prorail een gedetailleerd overzicht van de status en conditie van de spoorweginfrastructuur. Foto: Volkerrail – Inspectation

Geen ruwe data

Voor een volgende, grootschalige uitrol bleken de kosten echter toch nog te hoog, zodat we op zoek moesten naar een alternatief. De goedkopere Single-Board Rio van National Instruments, een board-only variant van de Compactrio, viel af omdat die niet bleek te passen in de relaiskasten. NI’s System on Module (Som) sloot een stuk beter aan op de wensen en eisen, niet alleen financieel maar ook technisch. Een groot pluspunt was bijvoorbeeld de documentatie, die de technici alle informatie verschafte om de implementatie soepel uit te kunnen voeren: toen het (hardware)prototype klaar was, hadden ze de software in slechts twee uur probleemloos draaiend en alle interfaces functioneel werkend. De mogelijkheid om de fpga-software vanuit de Compactrio direct over te zetten naar de Som heeft daar in belangrijke mate aan bijgedragen.

Mede vanwege de beperkte ruimte in relaiskasten en relaishuizen was een belangrijke wens dat het systeem kleiner en nog meer modulair moest worden. Tegelijk met de overstap naar de Som hebben we daarom de cpu, de voeding en de sensorinterfacemodules losgetrokken van elkaar. De onderlinge communicatie loopt nu gedaisy-chaind via Ethercat. Daardoor zijn de i/o-modules dichter bij de meetpunten te plaatsen en is er minder bekabeling nodig, wat de installatiekosten verlaagt. Door de introductie van aparte analoge en digitale modules is er bovendien minder capaciteitsverspilling. Het resultaat is een flexibel samen te stellen systeem, dat het bijvoorbeeld mogelijk maakt om een kleinere datalogger te realiseren voor sectiemonitoring in een relaiskast.

NI Compactrio Sinlge Board Rio Som
In de zoektocht naar een alternatief voor de Compactrio (linksboven) is voor de nieuwe generatie van het Flexmonitoring-systeem de keuze gevallen op de Som (linksonder) ten koste van de Single-Board Rio (rechts) omdat deze laatste niet past in de relaiskasten langs het spoor.

Bij de ontwikkeling van de volgende generatie hebben we ook de ervaringen meegenomen van de vier jaar die het eerste Flexmonitoring-systeem nu in het veld staat. We hebben de Som volledig afgestemd op de nieuwste inzichten en behalve voor Ethercat ook interfaces toegevoegd voor gps en gigabit ethernet. Dankzij de snellere dualcore Arm A9-processor en grotere Xilinx Zync-7020 met Artix-7-fpga herbergt het systeem bovendien meer verwerkings- en opslagcapaciteit. Dat is mooi, want in de tussentijd zijn er heel wat sensoren en meettypes bij gekomen naar aanleiding van wensen vanuit het veld. Zo kunnen we ingangsnodes nu configureren voor een specifieke sensor, bijvoorbeeld voor de omzetting van de motorstroom van een wissel.

In het veld zijn de systemen via gprs of 3g verbonden met de backoffice. De nodes verzenden geen ruwe data maar filteren de gegevens eerst: ze herkennen er events in, analyseren die, sturen een samenvatting naar de server en laten de operator weten of de functionaliteit nog voldoet. Watchdogs voor zowel de hardware als de software houden ondertussen een oogje in het zeil. Bij een storing, defect of uitval kan elke node zichzelf herstarten en wordt er op afstand een diagnose gesteld en geprobeerd het probleem te verhelpen. Lukt dit niet, dan gaat de storingsmonteur op pad. Als er een nieuwe in het laboratorium geteste softwareversie beschikbaar is, worden de systemen ook automatisch opgewaardeerd in het veld.

Incaa ingangsmodule Msom
Het nieuwe systeem heeft een modulaire opzet: de Som (links, in een behuizing) communiceert via Ethercat met de losse sensorinterfacemodules (rechts een variant met analoge ingangen).

Fluitje van een cent

De herbruikbaarheid van de bestaande software maakte een snelle migratie mogelijk naar het nieuwe Flexmonitoring-systeem met de Som. Door in de beginfase een ontwikkelbord te gebruiken, konden we bovendien parallel aan de hardware en software werken en ons al vlug een beeld vormen van de systeemprestaties. Met de Som hebben we uiteindelijk minder bekabeling, een betere performance, een hogere betrouwbaarheid en een lagere aanschafprijs weten te realiseren. De module is ook nog eens lang leverbaar, zodat we meer dan voldoende tijd hebben om de investering terug te verdienen.

Inspectation relaiskast inzet
De afgelopen weken heeft Inspectation de eerste Som-gebaseerde dataloggers geïnstalleerd in relaiskasten langs het spoor. Foto’s: Volkerrail – Inspectation

In week 20 hebben we de eerste 65 stuks van de Som-gebaseerde dataloggers in het veld geplaatst. In week 22 hebben we een aantal nieuwe wissels en spoorsecties op Utrecht Centraal eveneens voorzien van de nieuwe generatie. De andere objecten voorzien we van de nieuwe datalogger op het moment dat de oude aan vervanging toe is. Hiermee voorkomen we vroegtijdige afschrijving. Omdat de aansluitingen van de oude en nieuwe datalogger identiek zijn, is vervangen een fluitje van een cent. De nieuwe neemt bovendien minder ruimte in.

Het grotere aantal ondersteunde sensoren en meettypes maakt het nieuwe Flexmonitoring-systeem zo flexibel dat het ook voor andere doeleinden inzetbaar is. Voor Rijkswaterstaat past Inspectation de oplossing nu bijvoorbeeld toe om trillingen te meten op ventilatoren in de Schipholtunnel.

Edited by Nieke Roos