Tests der Antriebssysteme von Zügen auf einem hocheffizienten Prüfstand liefern Ergebnisse in Echtzeit und sparen Zeit und Personal
Das multinationale Unternehmen Alstom SA ist weltweit auf den Märkten des Schienentransports tätig. Als führendes Unternehmen in den Bereichen Personentransportsysteme, Signaleinrichtungen und Dienstleistungen ist das Unternehmen für Produkte wie die Hochgeschwindigkeitszüge AGV, TGV, Eurostar und Pendolino sowie S-Bahn- und Regionalzüge, U-Bahnen und Straßenbahnen bekannt.
In Charleroi, Belgien, verfügt Alstom über zwei Kompetenzzentren für Forschung und Entwicklung und Projektmanagement mit 500 Ingenieur*innen und 100 Forschenden, von denen eines Traktionssysteme und Hilfsumrichter testet.
Mit Unterstützung der Ingenieur*innen von HBM hat Alstom Charleroi ein neues Datenerfassungskonzept zum Testen von Traktionssystemen und Hilfsumrichtern entwickelt. Erstmals in der Geschichte des Standorts Charleroi kommt eine eDrive-Lösung von HBM zum Einsatz.
Die eDrive-Lösung von HBM kombiniert die Vorteile präziser, zyklusgenauer Prüf- und Messgeräte mit denen der komfortablen Entwicklung von Prüfständen. Dieses Konzept ermöglicht die einfache Integration von Sensoren in das Messsystem und Steuerung der Tests auf Basis der bereits erfassten Messdaten. Dank der Formeldatenbank können die Prüfstandsingenieur*innen schnell und einfach individuelle Berechnungen erstellen – für anpassbare Mess- und Prüfaufgaben.
Die neue eDrive-Lösung von HBM ermöglicht Alstom bei der Durchführung eines vollständigen Validierungstests Zeiteinsparungen von bis zu 50 %.
Während sich die Automobilindustrie mit dem Übergang zur Elektrifizierung noch schwer tut, sind elektrische Antriebe in Schienenfahrzeugen schon seit mehr als 120 Jahren Standard. Darüber hinaus steigen die Anforderungen an Motorleistung und Wirkungsgrad kontinuierlich – insbesondere in Zeiten, in denen Klimaziele erreicht werden müssen. Daher testen die Hersteller von Schienenfahrzeugen kontinuierlich ihre Traktionssysteme und Hilfsumrichter, um maximale Wirkungsgrade zu erzielen. Gleichzeitig wächst der Bedarf an neuen Prüfstandskonzepten, um diese neuen Motoren mit der erforderlichen Genauigkeit und in kürzerer Zeit zu testen. Die Herausforderung dabei ist, zuverlässige Ergebnisse zu erhalten und dabei Testabläufe präzise zu steuern.
Bei Alstom, einem der 3 größten Hersteller von Schienenfahrzeugen weltweit, gelten diese Anforderungen auch für die eigenen Prüfmittel.
Problem
Alstom Charleroi testet Traktionssysteme und Hilfsumrichter zur Simulation des Zugbetriebs unter realen Bedingungen. Dies erfordert Prüfstandseinrichtungen, die zuverlässige Daten liefern, schnell zu integrieren und einfach zu handhaben sind. Vor dem Einsatz der eDrive-Lösung von HBM erfolgte diese Art von Test mit einem Oszilloskop (bis zu 8 Kanäle), einem Hochgeschwindigkeitsrekorder (bis zu 16 Kanäle), einem Spektrum-Analysator – und mit umfangreicher Offline-Nachbearbeitung, was ziemlich zeitaufwändig war.
Lösung
Alstom setzt nun die eDrive-Lösung von HBM (eine Kombination aus dem Messdatenerfassungssystem Genesis HighSpeed und der Software Perception) ein, die große Datenmengen schnell und sicher verarbeitet. Über eine frei programmierbare Schnittstelle tauscht Perception Messdaten mit einem LabVIEW-Programm aus, das die einzelnen Prüfstandskomponenten sowie automatisierte Prüfprozesse steuert.
Das Ergebnis
Dank des modularen Aufbaus der eDrive-Lösung von HBM lassen sich unterschiedlichste Sensoren einfach per Plug-and-Play ins Messsystem integrieren. Die eDrive-Lösung von HBM erfasst Messdaten zuverlässig, berechnet Ergebnisse in Echtzeit und stellt sie für die Prüfstandssteuerung zur Verfügung. Eigene Berechnungsformeln sind ohne Programmierkenntnisse erstellbar und lassen sich in Echtzeit auf Messwerte sowie im Nachhinein auf gespeicherte Daten anwenden. Dadurch kann Alstom einen kompletten Test in einem Drittel der Zeit durchführen und Personalkosten sparen.
„Die eDrive-Lösung von HBM ist wirklich bahnbrechend“
Alstom Charleroi ist einer der Hauptstandorte für Tests von Umrichtern für Traktionsantriebe und Hilfssysteme für die gesamte Schienenfahrzeugflotte von Alstom. „An diesem Standort validieren wir die Standard-Antriebssysteme für Alstom-Produkte. Wenn wir einen neuen Auftrag mit anderen Anforderungen für die Antriebssysteme erhalten, testen wir die neuen Anforderungen hier an unserem Standort“, erklärt Jean-Francois Gregoire, Senior-Experte für die Validierung bei Alstom. „Bevor wir die eDrive-Lösung von HBM an unserem Standort erstmals einsetzten, verwendeten wir im Wesentlichen ein Oszilloskop (bis zu 8 Kanäle), einen Hochgeschwindigkeitsrekorder (bis zu 16 Kanäle) und einen Spektrum-Analysator – mit umfangreicher Offline-Nachbearbeitung und -Berechnung, was nicht nur zeitaufwändig war, sondern auch hohe Arbeitskosten verursachte. „Die eDrive-Lösung von HBM ist außerordentlich einfach in der Handhabung und alle Prozesse laufen parallel in Echtzeit. Das macht die Entwicklungsprozesse unserer Prüfstandssoftware viel einfacher und weniger komplex.
„Für mich ist die eDrive-Lösung von HBM aus drei Gründen wirklich bahnbrechend:
- Wir sparen bei der Testzeit etwa zwei Drittel ein. Das macht einen großen Unterschied.
- Wir können die Nachberechnung immer offline durchführen, ohne zum Test zurückzukehren.
- Wir erhalten eine größere Detailtiefe für die Validierung, da wir alle benötigten Signale gleichzeitig erfassen.
Und, was noch hinzu kommt: Die Personalkosten mit der eDrive-Lösung von HBM sind im Vergleich zum Vorgängersystem deutlich geringer.“
Die Aufgabe: Tests eines Antriebssystems mit Zweispannungssystem
Die meisten Züge werden mit Einspannungsversorgung mit Traktionsumrichter und einem Hilfsumrichter betrieben. Als Alstom von den Belgischen Eisenbahnen einen Auftrag für einen neuen Doppelstockzug erhielt, mussten der Umrichter für den Traktionsmotor, der Traktionsmotor selbst und die Hilfssysteme hinsichtlich der Leistung auf Systemebene validiert werden. Die Belgischen Eisenbahnen arbeiten mit einem Zweispannungssystem mit 3 kV und 25 kV Eingangsspannung, was eine zusätzliche Herausforderung darstellte.
In diesem Fall musste Alstom 21 Signale gleichzeitig messen. Neben den Eingangssignalen (wie Spannung und Strom) mussten auch alle Ausgangssignale (wie Phasenstrom, Gleichspannung, Drehzahl und Drehmoment) gemessen werden. Am Hilfsumrichter wurden 3 Phasen Strom und Spannung gemessen und zusätzlich der Gleichstrom und die Spannung am Batterieladesystem.
„Mit Unterstützung der Ingenieur*innen von HBM haben wir ein neues Datenerfassungskonzept zum Testen von Traktionssystemen und Hilfsumrichtern entwickelt. Erstmals in der Geschichte des Standorts Charleroi setzen wir eine eDrive-Lösung von HBM ein. Mit der neuen eDrive-Lösung von HBM können wir nun alle Signale mit einem einzigen Gerät messen. Bei der Validierung eines Systems ist es für uns wichtig, dass es unsere Anforderungen hinsichtlich Drehzahl, Drehmoment und Strom erfüllt. Wir lassen das System von der minimalen bis zur maximalen Drehzahl laufen und zeichnen alles auf. Der größte Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass wir alle Messungen in nur einem Durchlauf erfassen. In der Vergangenheit waren 4, 5 oder sogar 10 verschiedene Läufe erforderlich“, erklärt Jean-Francois Gregoire. „Ein Beispiel: Für diesen Test haben wir innerhalb von zwei Monaten 1.311 Aufzeichnungen erstellt. Ohne die Prüfmittel von HBM und mit dem alten System hätte das zwischen 6 und 7 Monate gedauert. Aus diesem Grund haben wir seitdem zwei weitere eDrive-Lösungen von HBM erworben. Eines der neuen Systeme wird zur Validierung des Hilfssystems für die Pariser Metro eingesetzt; das andere für das Traktionsantriebssystem der Mumbai Metro.“
Moderne Züge erfordern moderne Prüfstandskonzepte
Um die Genauigkeit der Tests der neuen Elektroantriebe sicherzustellen, hat Alstom in Zusammenarbeit mit den HBM-Expert*innen die komplette Messkette des Prüfstands optimiert.
„Wir haben uns für die Kombination aus Genesis HighSpeed und der Software Perception sowie die Entwicklungsumgebung LabVIEW entschieden, weil sich Perception und LabVIEW* sehr einfach über eine Schnittstelle verbinden lassen“,
erläutert Jean-Francois Gregoire, Senior-Experte für die Validierung bei Alstom Charleroi.
„Dank der eDrive-Lösung von HBM können wir außerdem ganz bequem eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren für Strom, Spannung und Drehmoment in das Messsystem integrieren, einfach per Plug-and-Play, ähnlich dem Einstecken eines USB-Geräts in einen Computer. Auch die Integration von Vibrationssensoren als Teil der elektrischen Vermessung ist problemlos möglich. Das spart uns Zeit (zwei Drittel der Arbeitszeit im Vergleich zur alten Version) und Ressourcen beim Einrichten des Prüfstands.“
Ein perfektes System für enorm schnelle Echtzeit-Tests
Zur sicheren und zuverlässigen Bestimmung aller gemessenen Daten müssen die einzelnen Komponenten des Prüfstands perfekt zusammenarbeiten. Die Sensoren erfassen Messsignale wie Strom, Spannung, Temperatur sowie Drehmoment und leiten sie an das Messverstärkersystem weiter.
Die eDrive-Konfiguration von Alstom besteht aus einem Datenerfassungssystem Genesis HighSpeed GEN7tA, drei Eingangskarten GN610B, einer zusätzlichen Karte für Hochgeschwindigkeitssignale mit einer Messrate von bis zu 100 MS/s, der Software Perception und dem Drehmomentaufnehmer T12.
Die digitalen Signalprozessoren (DSPs) auf den Karten verarbeiten die Messdaten und berechnen Ergebnisse in Echtzeit. Die berechneten Messergebnisse werden zur Bewegungssteuerung über eine frei programmierbare Software-Schnittstelle an LabVIEW übermittelt. Parallel dazu speichert die HBM-eigene Software Perception alle erfassten Rohdaten.
„Messdaten und in Echtzeit berechnete Ergebnisse werden gleichzeitig erfasst, gespeichert und übermittelt. Das ist ein enormer Vorteil für die Auswertung“, betont Jean-Francois Gregoire. „Ein weiterer Vorteil: Da alle Rohdaten gespeichert werden können, haben wir die Möglichkeit, sie auch für weitergehende Post-Process-Analysen zu nutzen.“ Zusätzlich zu den zyklussynchronen Einzelergebnissen lassen sich kontinuierliche Messdaten in der Formeldatenbank von Perception verknüpfen und in Echtzeit verarbeiten. Auch dafür sind keine Programmierkenntnisse nötig.
„Es gibt noch einen weiteren Vorteil: Wir können in Perception auch eigene Formeln für die Berechnungen erstellen und in der Formeldatenbank ablegen. Diese Formeln sind für Berechnungen im Nachhinein oder auch in Echtzeit in den DSPs anwendbar, ganz ohne Programmierung der jeweiligen Rechnerarchitektur.“
„Das ist der Grund für die große Zeitersparnis, da fast alles automatisch erfolgt.“
Kundenorientierte, einfache Sensorintegration und Kanalsynchronisierung
„Die Kombination aus LabVIEW und der eDrive-Lösung von HBM bietet uns wirklich viele Vorteile“, sagt Jean-Francois Gregoire. „Die Hardware zeichnet synchron Messdaten von Sensoren auf und ermöglicht Abtastraten von bis zu 2 MS/s für bis zu 51 Leistungskanäle. So können wir bei Bedarf problemlos weitere Sensoren anschließen. Dabei synchronisiert die eDrive-Lösung automatisch die Abtastraten der unterschiedlichen Kanäle und Eingangskarten. Das reduziert den Aufwand für uns erheblich.“
Bei der Integration des Messdatenerfassungssystems in seinen bestehenden Prüfstand erhielt Alstom maßgeschneiderte Unterstützung von HBM. „Wir schätzen die Unterstützung der HBM-Expert*innen, die uns helfen, ihr System in vollem Umfang zu nutzen. Perception ist eine effiziente Software, die Daten zuverlässig erfasst. Wir haben uns dank der Einführungsschulung von HBM schnell eingearbeitet. Und aufgrund der einfachen Handhabung von Perception können wir sehr individuelle Messabläufe definieren“, erläutert Jean-Francois Gregoire. „In meiner Zeit bei Alstom hat sich die Einführung des HBM-Systems als wirklich bahnbrechend erwiesen.“
* LabVIEW ist ein eingetragenes Warenzeichen von National Instruments. Weder HBM noch die von HBM angebotenen Softwareprodukte oder anderen Waren oder Dienstleistungen sind verbunden mit, empfohlen von oder gesponsert durch National Instruments.
Was ist die eDrive-Lösung von HBM?
Die eDrive-Lösung von HBM vereinfacht das Testen von Motoren und Invertern durch Kombination mehrerer Testsysteme zu einer einzigen Quelle für verlässliche Daten. Sie umfasst die gesamte Messkette, von den besten Sensoren ihrer Klasse bis hin zu Leistungsanalysatoren in Kombination mit einer speziellen Analysesoftware zur genauen Messung der elektrischen und mechanischen Leistung. Sie kann sowohl für zusätzliche elektrische als auch für mechanische Messungen erweitert werden - je nach individuellen Anforderungen des Kunden. Sie ermöglicht einfache und schnelle Testaudits durch Kunden oder Regulierungsbehörden zur Vereinfachung der Teststrategie, Kostensenkung und Verkürzung der Entwicklungszeit.
Über Alstom
Alstom ist führend auf dem Weg zu einer weltweit umweltfreundlicheren und intelligenteren Mobilität und entwickelt und vermarktet integrierte Systeme, die die nachhaltigen Grundlagen für die Zukunft des Transportwesens liefern. Alstom bietet eine komplette Palette von Geräten und Dienstleistungen an, von Hochgeschwindigkeitszügen, U-Bahnen, Straßenbahnen und E-Bussen bis hin zu integrierten Systemen, maßgeschneiderten Dienstleistungen, Infrastruktur, Signaleinrichtungen und digitalen Mobilitätslösungen. Alstom ist in über 60 Ländern vertreten und beschäftigt 38.900 Mitarbeiter*innen.
In Belgien entfaltet Alstom seine Aktivitäten in zwei Kompetenzzentren, eines für Systeme zur Speicherung und Umwandlung elektrischer Energie und das andere für Lösungen für Signaleinrichtungen unter Einbeziehung des europäischen Standards ERTMS. Alstom beschäftigt in Belgien 1.250 Mitarbeiter*innen, darunter 500 Ingenieur*innen, und leitet in Zusammenarbeit mit Universitäten, KMU und Start-ups 20 F&E-Programme für eine intelligentere und umweltfreundlichere Mobilität. Die Teams betreuen über 100 Projekte auf den fünf Kontinenten.