SKF ha sviluppato un sistema di condition monitoring wireless autoalimentato associato a un servizio di analisi, dedicato ai carrelli dei treni passeggeri.
SKF, fornitore leader a livello mondiale nel campo di cuscinetti, tenute, meccatronica, servizi e sistemi di lubrificazione, sta sviluppando progetti di manutenzione basata sulle condizioni che sfruttano le più recenti innovazioni tecnologiche nell’ambito del monitoraggio a distanza. Un esempio significativo arriva da un’applicazione nel settore ferroviario.
di Anita Gargano
Nel settore ferroviario la tendenza ad aumentare sicurezza e affidabilità e a ridurre le attività di manutenzione favorisce un maggiore interesse verso gli approcci di manutenzione basata sulle condizioni e verso metodi efficienti per rilevare danni critici prematuri ai cuscinetti delle boccole, alle ruote e ad altri componenti rotanti. Sistemi in grado di raccogliere e processare segnali come vibrazione e temperatura e trasformare questi segnali in informazioni utili giocheranno un ruolo fondamentale nell’aiutare gli operatori ferroviari a passare da una manutenzione basata sul tempo a una manutenzione basata sulle condizioni.
In questa prospettiva, l’installazione di sensori sulle boccole è in grado di offrire diversi vantaggi. La cover della boccola è facilmente accessibile e può ospitare un sensore standard, semplice da installare e in grado di adattarsi a diverse dimensioni senza necessità di customizzazione. Questa posizione permette inoltre un accoppiamento diretto con il cuscinetto, fornendo un’eccellente prestazione del sensore per quanto riguarda il rilevamento di difetti del cuscinetto e della ruota.
SKF Insight integra le tecnologie wireless intelligenti nei cuscinetti SKF.
NUOVE SOLUZIONI WIRELESS
Finora, il problema erano le complesse reti di cablaggi supplementari, necessarie per installare la serie di sensori richiesti per acquisire i dati da componenti critici. L’installazione di questi cavi è una procedura costosa per un treno nuovo progettato per raccogliere queste informazioni, mentre diventa praticamente non applicabile per un treno circolante da anni e non predisposto.
Oggi una rete wireless e una progettazione di antenna innovativi potrebbero aprire la strada a una nuova generazione di robusti sistemi di condition monitoring wireless destinati ai veicoli ferroviari. È questo il risultato del progetto sviluppato da SKF (www.skf.it) in collaborazione con il mondo accademico, che ha dimostrato in che modo una rete di sensori può operare attraverso comunicazioni wireless a bassa potenza, semplificando considerevolmente design, installazione e manutenzione.
FATTORI DI COMPLESSITÀ
Adottare una rete wireless idonea per applicazioni di condition monitoring nel settore ferroviario è una procedura complessa per diversi motivi. In primo luogo, i sensori devono essere in grado di operare per lunghi periodi senza essere ricaricati o sostituiti. Le boccole di alcuni moderni treni passeggeri, per esempio, possono assicurare una percorrenza di oltre un milione di chilometri tra le revisioni: l’obiettivo degli operatori di settore è raddoppiare questa cifra. In secondo luogo, i sensori devono generare e immagazzinare la potenza necessaria, quindi devono essere ad altissima efficienza energetica, limitando enormemente la potenza disponibile per la trasmissione dei segnali in modalità wireless.
Le grandi dimensioni dei veicoli ferroviari, però, rendono difficile soddisfare questi requisiti per bassa potenza. I sensori montati sulle boccole, per esempio, devono trasmettere i segnali a un'unità ricevente collocata nel centro del veicolo e distante quasi 20 m. Anche i carrelli ferroviari sono ambienti difficili per la trasmissione wireless. Le grandi quantità di materiale conduttivo presenti in carrelli, telai e corpo dei veicoli possono bloccare o interferire con i segnali.
SKF Insight rappresenta un significativo passo in avanti verso l’adozione di tecnologie IoT all’interno della manutenzione basata sulle condizioni.
UNA FREQUENZA OPERATIVA IDONEA
Per costruire una rete wireless in grado di soddisfare questi requisiti, il team di SKF ha selezionato una frequenza operativa idonea per il sistema proposto. La scelta è stata influenzata da numerosi fattori, comprese le normative regionali che disciplinano l'impiego dello spettro elettromagnetico, la probabilità di interferenze da altre attrezzature sul treno o in prossimità dello stesso e il compromesso tra quantità di dati che possono essere supportati da ogni frequenza e dimensioni dell’hardware richiesto.
Il team ha iniziato prendendo in considerazione tre potenziali frequenze: 434 MHz, 868 MHz e 2.4 GHz. Sono state quindi analizzate le caratteristiche del sistema ferroviario utilizzando strumenti di simulazione avanzata, che consentono la modellazione della riflessione e diffrazione delle onde radio attraverso e intorno alla struttura di un carrello ferroviario.
Attraverso la simulazione sono state esplorate una serie di possibili configurazioni per la rete. Ciò ha incluso un sistema in cui i sensori su ogni carrello trasmettono a unità riceventi montate sotto il tetto del treno e un approccio alternativo, per cui i sensori sono dotati di antenna per trasmettitore (Tx) e unità ricevente (Rx), quindi ogni sensore comunica con il suo vicino, trasmettendo i dati lungo il treno fino a raggiungere l'unità ricevente finale nella cabina del macchinista.
La frequenza 2.4 GHz è stata esclusa per problemi di propagazione e potenziali interferenze da segnali Wi-Fi a bordo, mentre entrambe le frequenze 434 MHz e 868 MHz hanno offerto buoni valori di propagazione. Dopo aver scartato la 434 MHz, poiché richiedeva un’antenna di grandi dimensioni e complessa, il team ha optato per la 868 MHz come miglior compromesso per l’applicazione.
IL DESIGN DELL’ANTENNA
L’altro elemento essenziale del nuovo approccio è stata un’antenna con design di nuova concezione, ottimizzato per le gravose condizioni che si riscontrano esclusivamente negli ambienti del settore ferroviario. Per consentire l’installazione di sensori esattamente dove richiesti, ad esempio sulle boccole dei carrelli, le loro dimensioni, così come quelle dell’elettronica di controllo e dell’antenna, devono essere ridotte al minimo. Per assicurare una lunga durata di esercizio nella posizione di montaggio sotto il treno, inoltre, il design dell’antenna deve prevedere una protezione dall’ingresso di polvere e umidità ed essere in grado di sopportare notevoli variazioni di temperatura ed elevati livelli di vibrazioni.
Per costruire un’antenna con tali requisiti, il team ha optato per una configurazione nota come antenna planare a F invertita, o PIFA. In questo design, gli elementi dell’antenna sono “costruiti” su un circuito stampato, o PCB, con rivestimento in materiale conduttivo che funge da piano di terra. Sull’altro lato del PCB è integrato uno strato dielettrico con strato metallico. Si tratta di una configurazione robusta che trasmette in modo efficiente in ogni direzione, un’altra caratteristica importante per componenti che devono essere inseriti in spazi ristretti.
Utilizzando un materiale dielettrico con permittività relativa molto alta (εr = 10,9), il team SKF è riuscito a ottenere dimensioni dell’antenna sufficientemente ridotte e adatte per le boccole standard del settore ferroviario. I test condotti sulla nuova antenna all’interno di una boccola hanno dimostrato che offre prestazioni eccellenti ed è meno sensibile alla vicinanza di altri oggetti metallici di grandi dimensioni, rispetto ai design attualmente disponibili sul mercato.
SFRUTTARE AL MEGLIO L’INTERNET OF THINGS
In ambito manutentivo, il rapido sviluppo di tecnologie legate all’Internet of Things offre interessanti opportunità per raccogliere l’output dei sensori in modalità wireless. SKF sta esplorando tecnologie che permettono la comunicazione locale tra la boccola e una control room installata all’interno del treno, così come tecnologie che permettono ai sensori delle boccole di comunicare direttamente e in modalità autonoma con la piattaforma SKF Cloud.
I dati raccolti dai sensori devono essere analizzati in modo efficiente per generare informazioni utili, affidabili e puntuali per gli operatori ferroviari. È necessario quindi un elevato livello di automazione nel trasformare i dati dei sensori in piani operativi, utilizzando le più recenti innovazioni nell’ambito dell’analisi dei Big Data. Grazie a questi sistemi, gli operatori possono eliminare valori anomali soggetti a errore prima che questi diventino oggetto di interventi di manutenzione non programmata, ottimizzare gli interventi di manutenzione basandoli su condizioni reali di utilizzo, estendere gli intervalli di manutenzione riducendo significativamente i costi di manutenzione e il ciclo di vita del prodotto (LCC).
Per questo motivo, SKF ha sviluppato un sistema di condition monitoring wireless autoalimentato associato a un servizio di analisi, dedicato ai carrelli dei treni passeggeri. Il sistema di sensori integra un modem cellulare e un dispositivo GPS. Ogni sensore è indipendente e invia i dati alla piattaforma SKF Cloud. I sensori possono essere installati facilmente su ogni boccola, attraverso l'utilizzo di un bullone 20 mm più lungo di quello già esistente.
SKF Insight rappresenta un significativo passo in avanti verso l’adozione di tecnologie di Internet of Things all’interno della manutenzione basata sulle condizioni. Questo sensore compatto e ad alta capacità comunica direttamente con un dispositivo di analisi basato sul cloud attraverso il network cellulare. Il sensore è equipaggiato con un GPS per il rilevamento della posizione e della velocità, un accelerometro a tre assi, sensore di movimento e di temperatura, sensore piezo di vibrazione ad alta sensitività e frequenza e orologio. Ogni sensore può essere configurato in remoto per venire incontro alle esigenze specifiche di monitoraggio di ogni cliente. Una batteria integrata permette di eliminare i cablaggi esterni.
La manutenzione basata sulle condizioni consente di rilevare danni critici prematuri ai cuscinetti delle boccole, alle ruote e ad altri componenti rotanti.
