MAŃKA Adam 1, HEŁKA Andrzej 2, SITARZ Marek 3 System pomiarowy PanDiag do badania współpracy ślizgacza pantografu z siecią jezdną WSTĘP W artykule przedstawiono budowę, sposób działania oraz możliwości wykorzystania systemu PanDiag do pomiaru i diagnostyki sieci jezdnej. System PanDiag był już kilkakrotnie testowany w warunkach eksploatacyjnych, co pozwoliło dostosować jego funkcjonalność i parametry pomiaru do rzeczywistych wymagań polskich Przewoźników kolejowych oraz Zarządców infrastruktury. Niewątpliwą zaletą systemu jest jego uniwersalność zastosowania w różnego typu odbierakach prądu, pomiar siły działającej bezpośrednio na nakładki ślizgowe oraz bezproblemowy montaż i obsługa. 1 CEL BUDOWY SYSTEMU PANDIAG I MOŻLIWOŚCI JEGO WYKORZYSTANIA Diagnostyka układu odbierak prądu sieć trakcyjna stanowi element wielu prac badawczych i wdrożeniowych prowadzonych przez czołowe ośrodki w kraju i na świecie. Potrzeba uzyskania informacji o stanie sieci trakcyjnej oraz jakości odbieraków prądu leży w żywotnym interesie przewoźników kolejowych oraz zarządców infrastruktury. Powstające stacjonarne terenowe odcinki pomiarowe służą głównie do detekcji siły nacisku odbieraków prądu i stanowią element kontrolny dla przewoźników kolejowych [1]. Systemy DST (Diagnostyki Sieci Jezdnej) budowane w latach 90-tych ubiegłego wieku składają się z wagonów, w których pomiary oparte były o czujniki umieszczone w pobliżu izolatorów na dachu lokomotywy lub czujniki udaru montowane na odbieraku prądu. Ówczesna elektronika pomiarowa nie pozwalała na zastosowanie miniaturyzacji w zakresie pozycjonowania GPS, transmisji danych pomiarowych poprzez GSM oraz pomiaru, analizy i cyfrowej rejestracji danych bezpośrednio z czujników siły. Zaistniała zatem potrzeba opracowania nowoczesnego systemu do diagnostyki sieci trakcyjnej, którego montaż i uruchomienie zajmowałoby kilkanaście minut z wykorzystaniem dowolnej lokomotywy. Wyznaczenie sił w układzie odbierak prądu sieć trakcyjna wymagane jest również w trakcie badań dopuszczeniowych odbieraków prądu dla kolei szybkich [4,5], dla których wymagane jest jedynie dostosowanie adaptera systemu PanDiag do stosowanych w nich ślizgaczy. Eliminuje to konieczność ingerencji w nakładki ślizgowe, konstrukcję samego odbieraka prądu czy prowadzenie pomiarów z wykorzystaniem technik pośredniego wyznaczania siły a montaż polega na wprowadzeniu elementu pośredniczącego pomiędzy mocowanie ślizgacza a ślizgacz pantografu. Konieczność wyznaczenia sił działających na odbierak prądu w trzech wzajemnie prostopadłych osiach, informacja o wysokości sieci trakcyjnej wraz z jednoczesnym pozycjonowaniem uzyskanych wyników pomiaru systemem GPS wynikała w pierwszej kolejności z potrzeby uzyskania danych o stanie sieci trakcyjnej, ewentualnych przeszkodach dla ślizgaczy pantografu i jej położeniu przestrzennym oraz wartościach sił wzdłużnych, w tym siły tarcia, pionowych i poprzecznych sił działających na odbieraki prądu przewoźników kolejowych. W trakcie pierwszych pomiarów rejestrowano również obraz z wykorzystaniem trzech kamer cyfrowych o rozdzielczości HD, z których dwie umieszczone były na dachu lokomotywy a jedna bezpośrednio na ślizgaczu dla obserwacji współpracy drutu jezdnego z nakładkami ślizgacza rysunek 1. 1 2 3 Politechnika Śląska Wydział Transportu Katedra Technologii Lotniczych, 40-019 Katowice, ul. Krasińskiego 13, Tel. 32 603-41-90, email: Adam.Manka@polsl.pl Politechnika Śląska Wydział Transportu Katedra Logistyki i Transportu Przemysłowego, 40-019 Katowice, ul. Krasińskiego 8, Tel. 32 6034304, email: Andrzej.Helka@polsl.pl Wyższa Szkoła Biznesu w Dąbrowie Górniczej, Katedra Transportu Szynowego, 41-300 Dąbrowa Górnicza, ul. Cieplaka 1C, Tel. 32 295-93-54, email: MSitarz@wsb.edu.pl 4731
Pomiar wysokości sieci jezdnej Bezprzewod. transmisja danych: GSM, WiFi, Bouetooth Detekcja zejścia przewodu z nakładek Autorskie oprogramow anie - analiza i raportowanie Lokalizacja pomiarów GPS Łatwy montaż i uniwersalność Pomiar siły w 6 osiach (detekcja przeszkody) Wyświetlanie wyników na Google Maps Pomiar prędkości przejazdu i czasu wg GPS Kamery HD i transmisja online Rys. 1. Możliwości pomiarowe i diagnostyczne systemu PanDiag Rys. 2. System PanDiag podczas przejazdów diagnostycznych na sieci lokomotywa ET22-695 - PKP Cargo S.A. Śląski Zakład Spółki w Tarnowskich Górach Przeprowadzone badania wykazały możliwość wykorzystania systemu nie tylko do celów badawczych, ale również do cyklicznej diagnostyki stanu sieci jezdnej. Jednoczesne sprzężenie wyników pomiaru z precyzyjnie wyznaczonym położeniem (GPS) pozwala na szybką lokalizację i usunięcie ewentualnych nieprawidłowości sieci oraz stanowi dowód badania stanu sieci trakcyjnej na danym odcinku, co może być szczególnie ważne w przypadku kosztownych uszkodzeń odbieraków prądu i sieci trakcyjnej. 4732
Kolejnym zastosowaniem systemu jest możliwość jego bezpośredniego wykorzystania na etapie badań dopuszczeniowych odbieraków prądu dla kolei konwencjonalnych i pociągów szybkich. Producentowi a następnie jednostce prowadzącej badania wykorzystanie tego systemu pozwala na uzyskanie podstawowych informacji i wyników wymaganych w trakcie badań certyfikacyjnych oraz testów wpływu poszczególnych parametrów funkcjonalnych oraz prędkości i nacisku na własności użytkowe w tym wpływ sił aerodynamicznych. Pozwala to na dostosowanie odbieraka prądu w taki sposób, aby siły działające na djp (drut jezdny profilowany) mieścił się w wymaganym zakresie 90 120 N niezależnie od prędkości przejazdu, ciśnienia w układzie sterowania oraz profilu sieci [4,5]. Zaznaczyć należy, że system ten z powodzeniem wykorzystywany był dla różnych typów odbieraków prądu i ślizgaczy w różnych warunkach pogodowych (ujemne temperatury, deszcz itd.) oraz dla różnych zakresów prędkości w tym dla 120 km/h rysunek 2. 2 MOŻLIWOŚCI POMIAROWE SYSTEMU System PanDiag testowany był wielokrotnie na sieci kolejowej głównie na terenie województwa śląskiego z udziałem przedstawicieli Przewoźników kolejowych oraz Zarządcy infrastruktury. W kolejnych wersjach systemu modyfikowano system pomiarowy uwzględniając uwagi dotyczące wydłużenia czasu pracy na baterii oraz zwiększenia szybkości przejazdu. Dlatego też w kolejnych wersjach system wyposażono w zestaw nowoczesnych akumulatorów Li-ION. Zmieniono również elektronikę pomiarową wykorzystując mikrokontroler z wydajnym mikroprocesorem o niskim poborze prądu praz specjalizowanym układzie do analizy i kondycjonowania sygnału pomiarowego z 12 i 16 bitowym przetwornikiem AC o częstotliwości pomiaru do 600 Hz. Z analiz wynika, że zastosowany system pomiarowy pozwala na ponad dziesięciokrotny pomiar siły i pozostałych wielkości na każdym metrze sieci jezdnej dla prędkości 200 km/h. Z uwagi na fakt prowadzenia testów dla prędkości 120 km/h w dalszych etapach prac planuje się weryfikację nowych rozwiązań w warunkach eksploatacyjnych dla wysokich prędkości przejazdu. Rys. 3. Oprogramowanie do analizy, archiwizacji i wizualizacji wyników na mapie Google Maps W ostatnich pomiarach eksploatacyjnych system PanDiag wyposażony był w 6 czujników siły pozwalających na precyzyjny pomiar sił wzdłużnych (wraz z siłami tarcia), sił poprzecznych oraz docisku odbieraka prądu do drutu jezdnego w warunkach dynamicznych. Pomiary te realizowane były po obu stronach mocowania co pozwalało również na wyznaczenie położenia drutu jezdnego 4733
wynikające z tzw. wężykowania i prawidłowości jego instalacji. Wyniki pomiaru były rejestrowane wraz z odpowiadającymi im współrzędnymi GPS i wysyłane przez sieć Bluetooth (wersja przemysłowa) do komputera obrazującego wyniki na mapach Google Maps (rysunek 3) pobieranych online poprzez sieć GSM z możliwością bieżącej analizy i powiadamiania o zaistniałych nieprawidłowościach. System dokonywał automatycznej weryfikacji przekroczenia założonych wartości dopuszczalnych sił. Niezależnie od pomiaru sił i usytuowania sieci współpraca odbieraka prądu z siecią jezdną rejestrowana była z wykorzystaniem trzech małogabarytowych kamer HD w tym jednej umieszczonej bezpośrednio na ślizgaczu pantografu. Obraz z kamer przesyłany był również na żywo do kamery maszynisty. Z uwagi na bezpośredni kontakt odbieraka z wysokim napięciem oraz faktem występowania silnych zakłóceń elektromagnetycznych zastosowano bezprzewodową transmisję danych w standardzie Bluetooth w wersji przemysłowej. Aktualną wersję systemu wyposażono w dodatkowe elementy pomiarowe jednak testowano je jedynie w warunkach laboratoryjnych. Z uwagi na zgłaszaną potrzebę pomiaru wysokości sieci jezdnej wprowadzono bieżący pomiar tego parametru z wykorzystaniem przemysłowych czujników ultradźwiękowych. Wprowadzono również czujniki zejścia przewodu jezdnego z roboczej części ślizgacza. W warunkach laboratorium testowano z pozytywnym skutkiem czujniki ultradźwiękowe oraz czujniki optyczne. W celu wydłużenia czasu pracy na akumulatorze zastosowano akumulatory Li-ION i testowano dodatkowe wyposażenie systemu w układ zasilania z wykorzystaniem panelu fotowoltaicznego. Z uwagi jednak na niewielki odzysk energetyczny szczególnie w warunkach zimowych i trudność w montażu panelu o większych gabarytach wycofano się z tego układu na rzecz zwiększenia pojemności akumulatora i jego montażu bezpośrednio na dolnej części ramy odbieraka prądu. Układ prowadzi stały pomiar napięcia zasilania z uwagi na potrzebę zapewnienia wymaganych poziomów napięć dla zastosowanych czujników i przetworników oraz konieczność dodatkowego zabezpieczenia akumulatorów przed ich nadmiernym rozładowaniem. Dodatkowo wysyłanie ego parametru do kabiny maszynisty pozwala na ocenę stopnia załadowania akumulatorów systemu i ocenę czasu jego dalszej pracy. Z uwagi na chęć wykorzystania układu pomiarowego dla dużych prędkości zdecydowano się na takie rozmieszczenie masy układu pomiarowego aby jedynie czujniki, układy stabilizujące napięcie zasilające i przetworniki analogowo-cyfrowe znajdowały się bezpośrednio w pobliżu ślizgacza natomiast pozostała część układów w tym akumulatory, układ GPS, GSM, Bluetooth oraz rejestrator znajdowały się na dolnej części ramy. Takie rozmieszczenie masy pozwala na minimalizację wpływu na własności dynamiczne układu odbierak prądu sieć trakcyjna również dla dużych prędkości przejazdu. Dla pomiarów przemysłowych zdecydowano się na usunięcie czujników mierzących siły poprzeczne. Decyzja ta wynikała z analizy uzyskanych we wcześniejszych pomiarach sił poprzecznych i możliwości wykorzystania uzyskanych danych jedynie dla analizy zjawisk dynamicznych i weryfikacji budowanych modeli numerycznych układu odbierak prądu - sieć trakcyjna bez możliwości bezpośredniego wykorzystania tych danych dla diagnostyki samej sieci jezdnej. Pozwala to nie tylko na redukcję kosztów ale również masy elementów usytuowanych w pobliżu ślizgacza. Zabiegi te pozwoliły na możliwość wykorzystania systemu PanDiag bez konieczności znacznych regulacji sił docisku odbieraka do sieci jednej po jego zainstalowaniu na lokomotywie. Należy zaznaczyć, że montaż systemu polega wyłącznie na odkręceniu czterech śrub mocujących dotychczasowy ślizgacz pantografu i montaż w to miejsce ślizgacza z systemem pomiarowych oraz montaż na dole ramy odbieraka części zawierającej akumulator i mikrokontroler. W kabinie maszynisty można wykorzystać komputer przenośny do monitorowania aktualnych danych pomiarowych jednak nie jest to już warunek niezbędny do przeprowadzenia pomiaru z uwagi na zapis danych bezpośrednio w pamięci systemu zainstalowanego na odbieraku prądu. Aktualnie testowane jest automatyczne przekazywanie danych pomiarowych po powrocie lokomotywy do macierzystego zakładu poprzez transmisję z wykorzystaniem sieci WiFi, tak aby wyeliminować potrzebę wchodzenia na dach lokomotywy po kartę pamięci i umieszczania jej w komputerze PC z zainstalowanym programem do wizualizacji i analizy uzyskanych danych pomiarowych rysunek 4. 4734
Rys. 4. Okno do wizualizacji aktualnych wyników pomiarów systemu PanDiag Wykorzystanie w systemie autorskiego oprogramowania napisanego w systemie Delphi pozwala na dostosowanie funkcjonalności programu oraz formatu raportu bezpośrednio do wymagań użytkowników. WNIOSKI I KIERUNKI DALSZYCH PRAC Na podstawie przeprowadzonych pomiarów laboratoryjnych oraz testów eksploatacyjnych prowadzonych [3] na terenie należącym do PKP Energetyka S.A. Zakład Górnośląski stwierdzono przydatność systemu PanDiag do pomiarów i diagnostyki sieci jezdnej. Wyniki przeprowadzonych pomiarów parametrów sieci w czasie testów wykazały ich prawidłowość z wyjątkiem kilku miejsc w których wykryto nieprawidłowości, w tym potrzebę korekty odsuwu czyli odchylenia przewodu jezdnego od osi toru z uwagi na przekroczenie wartości maksymalnych oraz zbyt nisko zawieszoną sieć, co zarejestrowane zostało nie tylko przez kamery, ale głownie przez oba czujniki siły nacisku (pionowy kierunek). Po przeprowadzonych badaniach stwierdzone odstępstwa zostały niezwłocznie usunięte. Szczegółowe wyniki pomiarów zawarto w publikacji [2]. Przeprowadzone badania eksploatacyjne systemu PanDiag wykazały również potrzebę naniesienia modyfikacji w samym systemie. Użytkownicy wskazali na potrzebę zwiększenia czasu pracy na jednym ładowaniu akumulatora z 4 do 10 a najlepiej 12 godzin, co zostało uwzględnione w aktualnej konstrukcji. Stwierdzono również potrzebę wprowadzenia izolacji termicznej akumulatora, gdyż narażenie go na niskie temperatury i wysokie prędkości strugi powietrza spowodowało spadek jego pojemości o 40% w stosunku do testów laboratoryjnych. Użytkownicy wskazali również na potrzebę zainstalowania dodatkowych czujników, co również zostało uwzględnione w aktualnej wersji w postaci czujników zejścia przewodu z nakładki ślizgowej oraz czujnika wysokości sieci jezdnej. W ramach kierunków dalszych prac szczególną uwagę zwraca się na możliwość dostosowania funkcji systemu do aktualnych wymagań użytkowników. Od pierwszej wersji systemu PanDiag minęło kilka lat podczas których wprowadzono wiele zmian w systemie. Jak już wspomniano w aktualnie testowanej w warunkach laboratoryjnych wersji PanDiag2 z jednej strony znacznie zwiększono czas pracy na akumulatorze, wprowadzono precyzyjny pomiar wysokości sieci, dodano 4735
czujniki zejścia djp poza część roboczą nakładki ślizgowej. Z drugiej strony zlikwidowano zbędne czujniki sił bocznych, które nie wnosiły istotnych informacji o stanie sieci, co jednak pozwoliło na dodatkową redukcję masy. Do głównych zmian należy wliczyć również zmianę elektroniki pomiarowej i zmianę rozmieszczenia masy, tak aby zmniejszyć bezwładność elementów umieszczonej na ślizgaczu odbieraka prądu. Autorzy pragną w tym miejscu złożyć podziękowania firmie PKP Cargo S.A. Śląski Zakład Spółki w Tarnowskich Górach, firmie Polskie Linie Kolejowe S.A. Biuro Energetyki oraz przedstawicielom przewoźników za pomoc i wsparcie w realizacji badań eksploatacyjnych oraz okazane zainteresowanie. Streszczenie W artykule przedstawiono system do diagnostyki kolejowej sieci jezdnej. Opisano jego, podstawowe parametry oraz możliwości pomiarowe. Wskazano również na aktualne kierunki modyfikacji systemu dla zaspokojenia nowych wymagań stawianych dla systemu PanDiag w tym wynikających z potrzeby badań realizowanych dla pociągów szybkich. Przedstawiono również uwagi użytkowników systemu PanDiag, które stanowiły podstawę dalszej modyfikacji systemu diagnostycznego. W artykule przedstawiono możliwości pomiarowe aktualnie testowanego w warunkach laboratoryjnych systemu PanDiag2, którego celem jest spełnienie wymagań nie tylko dla diagnostyki sieci trakcyjnej kolei konwencjonalnej ale również dla pociągów kolei szybkich, dla których oprócz zakładanej dokładności pomiaru niezbędna jest bardzo wysoka częstotliwość próbkowania czujników i za tym idące ograniczenia starszych mikrokontrolerów, układów kondycjonujących sygnał pomiarowy i samych czujników. Słowa kluczowe: PanDiag, sieć trakcyjna, odbieraki prądu, pantograf, ślizgacz, węglowe nakładki stykowe, system do diagnostyki sieci trakcyjnej PanDiag measurement system to research the cooperation of the pantograph head of the overhead contact line Abstract This paper presents a system for the diagnosis of a railway catenary. Describes the basic parameters and measurement capabilities. Also points to the current improvements of the system to meet new requirements for the system PanDiag including those resulting from the need to research conducted for the high-speed trains. It also presents user feedback, which formed the basis for further modification of the diagnostic system. The paper presents the measurement capabilities of currently being tested in laboratory conditions of PanDiag2 system, which aims to meet the requirements not only for network diagnostics conventional rail traction but also for high-speed railways trains, which in addition to the assumed accuracy requirements is very high sampling frequency of sensors and for the reaching limitations of older microcontrollers, signal conditioning circuits and measurement sensors themselves. Keywords: PanDiag, overhead contact line, current collectors, pantograph, slider, carbon plates, the overhead contact line diagnostics system BIBLIOGRAFIA 1. Giętkowski Z., Judek S., Karwowski K., Mizan M.: Diagnostyka i monitoring odbioru prądu z sieci trakcyjnej, XXXV Konferencja Naukowo Techniczna Gdańskie Dni Elektryki 2010. 2. Hełka A. Mańka A., Pomiary i analiza współpracy pantografu z siecią jezdną w trakcie eksploatacji, Czasopismo Logistyka, 03.2015. 3. Marek Sitarz, Andrzej Hełka, Adam Mańka, Andrzej Adamiec.; Testing of Railway Pantograph, Archives of Transport, No 1-2/2013. 4. PN-K 91001:1997 Elektryczne pojazdy trakcyjne Odbieraki prądu Wymagania i metody badań. 5. PN-EN 50206-1:2009 Zastosowania kolejowe Tabor Pantografy: Charakterystyki i badania Część 1: Pantografy pojazdów linii głównych. 4736