Ryan Parkinson，西门子
确定电气高压瞬态产生的源头，防止轻轨车辆出现故障。
结合NI CompactRIO硬件中现场可编程门阵列(FPGA)和处理器的优势，创建一个坚固耐用的半永久性监测系统，用以长期记录多种数据格式和速率、同步数据并执行实时分析，从而实现对工业环境中传感器的远程监测。
Ryan Parkinson - 西门子
Jacob Cassinat - 西门子
管理子系统的交互是系统集成商面临的一种基本挑战。尽管已经定义了详尽的I/O限制，但有时还是会发生故障，并且不清楚哪个子系统的交互产生了破坏性因素。因此，要求子系统供应商的资源对一个明显不是其设备所产生的问题进行故障分析很有难度，而且对每个系统进行孤立测试也不可能将所有的交互行为都考虑在内。在这些情况下，系统集成商可能最适合监测整个系统的相关部分，隔离问题源，并分配适当的资源来解决问题。西门子(Siemens)铁路系统部最近成功完成了这个系统集成商任务。
过去三年，我们一个客户所使用的SD160轻轨列车会反复出现一个问题。丹佛RTD是科罗拉多州丹佛市的一家公共汽车和轻轨服务运营商，拥有170辆西门子车辆。这些车辆由架空接触网系统(OCS)供电，而OCS又由RTD的配电网络供电。每辆车上的辅助电源(APS)会接收来自OCS的电力，并对其进行调节，供车上大多数其他子系统使用。这个APS的故障率很高，曾给车辆造成了严重故障。故障日志报告称APS的电源输入存在高压瞬态，以致供应商认为丹佛RTD或车载推进子系统（在电动制动期间向APS供电）提供的电力超出了可接受的瞬态限制。然而，RTD和推进装置供应商经过确认，都称自己的系统不应会产生这样的瞬态。对西门子和我们的供应商来说，每一次轻轨车辆故障都代价高昂、十分耗时，而且这些故障还会给我们客户造成运营延误。因此我们亟需监测这种情况，确定根本原因，并尽快找到解决方案。
首先，RTD的工程师经过验证，证实了OCS的电压电平符合规范。随后，APS供应商的工程师确认了可能导致设备故障的电压瞬态，但在通过各种测试程序诱导这些瞬态时，APS的性能也一如设计的那般稳定。这种测试需要车辆停止提供乘客服务，以便工作人员能够监测便携式示波器。可这种方法并不能证明任何问题，因为高压瞬态并不经常发生，而且在短暂的测试期间也不太可能发生罕见的破坏性瞬态。很显然，我们需要对运输中的车辆进行更全面的测试，才能准确地对实际运行条件进行特性分析。
APS供应商构建了自己的远程数据记录仪，永久性地安装在了SD160车辆上。它可以获得系统级电压数据的快照，但这些数据并不足以让我们了解周围的环境和导致瞬态的原因。不过，通过这些方法，我们认识到，我们需要了解全局才能诊断问题。于是，我们决定在这些早期努力的基础上，设计一个坚固耐用的远程系统来长期监测列车，以期发现并纠正问题。
我们需要一个高度灵活但功能强大的监测系统，以适应不同子系统的各种传感器和通信协议。据此，我们定义了以下要求：
我们决定使用CompactRIO模块来装配两辆轻轨车辆，然后惊讶地发现，这些模块满足了我们所有的系统要求。我们比较了从两辆不同车辆上收集到的数据，并监测了车辆的交互情况。我们安装了高压换能器，并将其连接到了几个列车部件上，主要集中在电源输入滤波器前后的区域，这有助于确定瞬态是由RTD的电源网络（前置滤波器）产生的，还是由列车的子系统（后置滤波器）产生的。
仅使用LabVIEW Real-Time模块和LabVIEW FPGA模块，并通过NI LabVIEW系统设计软件完成系统编程。通过对FPGA进行编程，可获取高电压、高电流和车辆诊断信息。而通过对处理器进行编程，则可获取GPS位置和车辆速度，执行日常的辅助工作和后处理，从而能够擦除非触发数据，尽量减少存储需求，因为我们每30分钟可记录约1 GB的数据。通过自动执行后处理，我们每天只存储大约5 GB的数据。NI有一个出色的预编写代码数据库。插入GPS软件模块和一般模板即可完成FPGA与处理器软件布局，为我们节省了大量的时间。在圣地亚哥参加了《LabVIEW核心教程（一）》和《LabVIEW核心教程（二）》后，我们在短短几个月内就从新手用户进阶成了高级程序员。鉴于LabVIEW的直观特性，辅之以积累的编程经验，不到6个月，我们便完成了软件并进行了测试。
FPGA和处理器
也许CompactRIO最大的优点就是FPGA/处理器的组合。由于FPGA可重配置，因此可实现的数据速率和采样精度可以与大多数先进示波器相媲美。我们可以进行实时计算和输出，无处理器延迟。一旦数据有了时间戳和缓冲，处理器的优势就会发挥出来。软件工程师可以充分发挥处理器的灵活性，实现扩展和远程FPGA操作，并管理大型数据集。缓冲数据可以被检索并写入USB驱动，使其存储容量与笔记本电脑相当。GPS信号可得到监测和记录。运行脚本，以便进行后处理、擦除非触发数据，并准备要分析的数据。日常任务得到执行，每天晚上还会自动将FTP上传至服务器。
坚固耐用且可重配置
CompactRIO超出了我们对环境的所有要求。它可适应-40 °C至80 °C的温度范围，因此我们将该装置安装在了电气室外部。它占用空间小，抗振动/抗冲击性出众，可以轻松实现半永久性安装。
CompactRIO可实现高度定制。我们知道，调查需要分多个阶段进行，因此如果能够重新配置系统并以潜在问题区域为目标不断调整，则会为我们带来巨大优势。在进行了初步的电压分析后，我们发现，如果能监测两个电流信号将颇有益处。添加这两个信号非常简单。使用带有可插拔输入模块的CompactRIO，就可以监测几乎任何想象得到的输入。
数据可访问性
CompactRIO提供了多种数据访问选项。我们可以使用路由器通过无线下载在网络上访问数据，也可以通过可移除USB驱动手动访问数据。为了使项目开发易于管理，我们一开始并没有实现无线下载。我们将数据记录在闪存盘上，工作人员每周访问一次，具体方法是：关闭程序，移除USB驱动并换上新的驱动。目前，我们与RTD合作，实现每日自动将FTP传输到服务器，以节省时间，并提高数据访问速度。
数据速率
为了有效地测量和记录瞬态，我们需要实现大于10,000 Hz的采样率。车辆诊断数据每毫秒才产生一次，所以1,000 Hz的速率足够满足需求。如果需要温度读数，可以增加第三个50 Hz的采样率。FPGA很容易适应这些不同的速率，并将数据写入缓冲器中。第四个1 Hz的速率需要用于GPS输入，并在处理器中处理。
视频处理
CompactRIO的另一个优势是视频处理。我们原本计划在CompactRIO FPGA中处理和记录视频。然而，随着项目的推进，我们意识到CompactRIO不能处理指定分辨率下所需的缓冲。于是，我们买了一台数字视频录像机(DVR)，但是DVR视频与CompactRIO数据的同步遇到了困难。它们的内部时钟不同，并且由于自然时钟偏移，我们无法靠它们来达到所需的同步水平。要解决此问题，方法很简单。我们买了一个NI 9401双向数字输入模块，并将其插入到了CompactRIO机箱中。当系统记录电压时，FPGA会运行一个简单的算法来确定是否发生了电压瞬态。如果发现，它就会通过NI 9401向DVR发送一个二进制信号。这两步是实时发生的，没有处理器延迟。DVR会用视频文件将二进制信号作为触发记录下来，因此我们只需下载显示活动触发的视频文件，这样可以减少视频存储和下载时间，也有助于我们使触发保持一致，从而完美同步视频数据与CompactRIO电压和GPS数据。
以各种不同的速率和格式记录数据只是挑战的一部分，另一方面是对数据的解读和有效分析。NI DIAdem数据分析软件为分析任务提供了理想的平台。
DIAdem支持技术数据管理流(TDMS)文件结构，具有二进制存储优势。DIAdem使用自动存储的元数据，可非常迅速地打开、查找和缩放庞大的文件并对其进行计算。在图3中，顶部为高压通道图表（发生了三个瞬态事件）；中间为仰角图表；底部为GPS、车速和诊断数据图表。
DIAdem还支持脚本编程。我们的监测系统运行了三个多月，产生了数百GB的数据，因此打开每个文件并进行人工分析是不可行的。要确定造成瞬态的根本原因，需要一些关键数据。在明确此类数据后，我们编写了一个脚本，可以打开每个文件，查找关键事件并总结发现结果（返回的瞬态事件最大数量、持续时间、APS响应、趋势位置数据等）。
经过研究，我们得出结论：客户的配电网络中确定存在瞬态，产生原因已明确，但也确定这些瞬态的大小和持续时间都在规定的范围内。我们发现，破坏性瞬态是在APS中产生的。有了这些信息，我们的供应商立即对其系统进行了进一步分析，他们相信自己已经确定了根本原因，并正在纠正这个问题。
目前，我们正在俄勒冈州波特兰市开展一个新项目，监测制动盘温度和液压油管路压力，以研究制动盘的磨损。我们可以采用为RTD电压瞬态项目编写的相同程序布局，只需对采样率、输入卡、输入缩放和记录数据的触发进行简单的修改即可。此外，我们也借鉴了从丹佛测试中吸取的一些经验教训。经过丹佛项目的初始投资，我们在波特兰重新配置和重新部署项目的成本和时间均大幅减少。
Ryan Parkinson
西门子