titImplementácia RFID technológie do prvkov systému nákladného železničného vagónu spočíva v zhromažďovaní informácií o určených fyzikálnych parametroch, ktoré popisujú a odhaľujú technický stav vozňa.


Aplikácia podporného systému má za cieľ nielen zvýšenie bezpečnosti, ale aj zvýšenie nákladov na opravy súvisiacich komponentov železničného vozňa [1]. Generovanie informácií o prvkoch podvozkov nákladných železničných vozňov, ktoré nesú vyššie riziko poškodenia počas prevádzky, by v reálnom čase vytvorilo ideálne podmienky pre zvýšenie bezpečnosti ich prevádzky. Aplikácia vhodnej technológie dokáže poskytnúť riešenie pre zvyšovanie kvality prevádzky železničných vagónov. Podstatou riešenia je meranie, monitorovanie a signalizácia stavu počas prevádzky vozidla prostredníctvom RFID technológie [2]. Uvedená realizácia má v praktickom využití veľký význam, keďže dochádza k znižovaniu vplyvu ľudského faktora pôsobiaceho v súvislosti s technickými kontrolami železničných vozňov. Určovanie rizikových faktorov a ich následné hodnotenie poskytne informácie, a tým zabezpečí zníženie miery nežiaducich javov spojených so zlým technickým stavom nákladných železničných vozňov.

IDENTIFIKÁCIA FYZIKÁLNYCH PARAMETROV S MERANÍM ICH HODNÔT U SLEDOVANÉHO PRVKU ŽELEZNIČNÉHO VOZŇA
Identifikácia teplôt ložiskovej komory
obr1V reálnom prostredí prevádzky nákladného železničného vagóna vplýva na kvalitatívne parametre ložiskovej komory jej teplota. Po prekročení prípustnej hodnoty, prevádzkovateľom určenou na 72 °C, dochádza k prehriatiu ložiskovej komory, ktoré je spôsobené nedostatočným mazaním trecích uzlov, čím dochádza k nárastu teploty v najviac namáhanom bode, a tým je stred ložiskovej komory. Táto teplota sa potom ďalej rozširuje po kolese a tým pádom dochádza k jeho deformácii a k deformáciám ďalších prvkov trecieho uzla. Práve z tohto dôvodu je opodstatnené sledovanie tejto teploty priamo v prevádzke a zabránenie vzniku nežiaducich javov, ako sú materiálne škody vyplývajúce zo zlého technického stavu, ako aj škody v dôsledku nehôd. Z toho dôvodu je žiaduce zavedenie RFID technológie na sledovanie tejto teploty, ktorá zamedzí vplyv ľudského faktora pri sledovaní technického stavu vozňa a umožní monitorovanie stavu ložiskovej komory z hľadiska teploty v reálnom čase.

Identifikácia hodnôt vibrácií na ložiskovej komore
Ďalším parametrom, ktorého správanie je potrebné identifikovať, je vibrácia vznikajúca na povrchu ložiskovej komory počas prevádzky v dôsledku nerovnosti povrchov trecích uzlov ložiskovej komory. V rámci realizovaného výskumu PREDICTION OF GROUND VIBRATION FROM RAILWAYS, (SINAN AL SUHAIRY, 2000), v ktorom boli realizované merania vibrácií na vlakovom podvozku nákladného železničného vozňa. Zo výsledných zistení vyplýva, že rýchlosti vlaku v rozmedzí 30 až 110 km/h sa frekvencie pohybujú v rozsahu od 10 až 250 Hz. Na podvozku vozňa sa vytvárajú tri druhy vibračných vĺn, a to typu P, typu S a povrchové vlny Love a Rayleigh. Najväčší vplyv má práve sekundárna vlna typu S. Celá štúdia je k dispozícii v uvedenej literatúre [3,4].

POPIS REALIZÁCIE EXPERIMENTU
obr2Experiment bol vytvorený za účelom generovania reálnych podmienok prevádzky pre zabezpečenie testovania vybraných RFID transpondérov. Realizácia podliehala vytvoreniu modelu simulujúceho reálne podmienky prevádzky nákladného železničného vozňa, ktorými sú vibrácie vznikajúce na ložiskovej komore v interakcii s teplotným vplyvom [6, 7]. Požadované vibrácie boli vytvorené experimentálnym zariadením na generovanie vibrácií, ktoré generovalo mechanické vibrácie v rozsahu 10 – 250 Hz vytvárané na podvozku železničného nákladného vozňa pri rýchlostiach 30 – 110 km/h. Prostredie modelu bolo z hľadiska teplôt ovplyvňované tepelným sterilizátorom. Teploty boli simulované v rozhraní 50 °C – 90 °C. V rámci reálneho systému sú podstatné hodnoty 62 °C , čo je kritickou teplotou pre funkcionalitu systému a hraničnú hodnotu 72 °C. Pre samotnú realizáciu experimentov sú navrhované dva zvolené RFID tagy obsahujúce tepelný senzor. Prvým transpondérom je HYGRO-FENIX tag a druhým je High Temp G tag výrobcu LPR Global, ktorého merací rozsah je až do 85 °C.
V rámci RFID technológie boli využité nasledujúce zariadenia:
• Čítacie zariadenie ImpinjSpeedway R420 pracujúce na frekvencii UHF, 860 – 960 MHz;
• Anténa Motorola AN4806 so ziskom 6 dBi max;
• Software Impinj.

Metodika a priebeh merania
Predmetom merania boli parametre RFID transpondérov, a to počet načítaní (TotCnt), čas prvého načítania (Timet0), rýchlosť načítania tagu (RDRate) (1), rozdiel medzi prvým a posledným načítaním tagu (Ttx-t0) pri vplyve zmien teploty prostredia a zmenou intenzity vibrácií. Rýchlosť načítania tagu vyhodnocoval systém podľa vzorca:

rov1

S ohľadom na konštrukciu aplikácie systému do reálnych podmienok bol merací rozsah jeden až tri metre so skokovými zmenami o 1 m. V rámci každej konfigurácie sa uskutočnilo 1 000 meraní, pričom jedno meranie trvalo dve sekundy. Vyhodnocovanie výsledkov sa realizovalo v systéme Impinj, z ktorého boli údaje následne štatisticky spracované.
Na vykonanie experimentu boli zvolené nasledujúce metodiky:
• vplyv zmeny teploty a vzdialeností čítania na kvalitatívne parametre RFID transpondérov;
• vplyv zmeny intenzity vibrácií a vzdialeností čítania na kvalitatívne parametre RFID transpondérov.
Meranie bolo zostavené z testov zameraných na identifikáciu hodnôt parametrov pri zmene teploty a testov zameraných na identifikáciu uvedených hodnôt pri zmene intenzity vibrácií. Ako kvantitatívny parameter bol identifikovaný počet načítaní. Ako kvalitatívne parametre boli identifikované rýchlosť načítania a vzdialenosť, resp. rozsah, v ktorom bol meraný tag rozpoznaný a plne čitateľný. Na kvalitu merania majú veľký vplyv podmienky, za ktorých sa meranie uskutočňuje. Z tohto dôvodu boli merania oboch tagov vykonávané za rovnakých podmienok.

Podmienky merania:
• Teplota miestnosti: ϑ = 20 °C
• Tlak v miestnosti: p = 102,4 kPa
• Vlhkosť v miestnosti: h = 62 %
Kvôli zabezpečeniu presnej teploty bol analógový teplomer tepelného sterilizátora doplnený digitálnym teplomerom. Uvedené testovanie je zamerané na zistenie vplyvov jednotlivých teplôt a úrovní vibrácií na čitateľnosť vybraných tagov. Hlavné parametre, ktoré sa pri tomto teste sledovali, sú počet načítaní a rýchlosť načítania, z ktorých boli následne vyvodené závislosti.

Vplyv zmeny teploty a vzdialenosti čítania na kvalitatívne parametre RFID transpondérov
Tento test je zameraný na zistenie vplyvu zmeny vzdialenosti pri nastavení jednotlivých teplôt na čitateľnosť vybraných tagov. Základnými meranými parametrami RFID transpondérov boli počet načítaní (TotCnt), rýchlosť načítania tagu (RDRate) (1) a rozdiel medzi prvým a posledným načítaním tagu (Ttx – t0). Prvé tri grafy na obrázkoch č. 3 a 4 zobrazujú priemerné hodnoty jednotlivých parametrov pri pôsobení teplôt 20, 40, 60 a 80 °C. Štvrtý, sumárny graf, zobrazuje priemerné hodnoty týchto parametrov pri teplotách 20, 40, 60 a 80 °C a pri zmene vzdialeností čítania.

obr3
Obr. 3 Vplyv zmeny teploty a vzdialenosti čítania na kvalitatívne parametre RFID transpondéru HYGRO-FENIX tag
obr4
Obr. 4 Vplyv zmeny teploty a vzdialenosti čítania na kvalitatívne parametre RFID transpondéru High Temp G tag

 

Vplyv zmeny intenzity vibrácií a vzdialenosti čítania na kvalitatívne parametre RFID transpondérov
Tento test je zameraný na zistenie vplyvu zmeny vzdialeností čítania pri vybraných úrovniach vplyvu vibrácií na čitateľnosť vybraných tagov a výsledky sú uvedené v nasledujúcej tabuľke. Základnými meranými parametrami RFID transpondérov boli tak isto ako pri sledovaní vplyvu teploty počet načítaní, rýchlosť načítania tagu (1) a rozdiel medzi prvým a posledným načítaním tagu. V grafoch sú zobrazené priemerné hodnoty vibrácií, ktoré boli generované na experimentálnom prístroji v rozmedzí hodnôt pôsobiacich v reálnom prostredí. Grafy zobrazujú zmeny sledovaných parametrov pri daných vzdialenostiach v rozmedzí 1 000 mm až 3 000 mm.

obr5
Obr. 5 Vplyv zmeny intenzity vibrácií a vzdialenosti čítania na kvalitatívne parametre RFID transpondéru HYGRO-FENIX tag
obr6
Obr. 6 Vplyv zmeny intenzity vibrácií a vzdialenosti čítania na kvalitatívne parametre RFID transpondéru High Temp G tag

 

ZÁVER
V experimente boli použité dva druhy tagov, pri ktorých sa skúmali deklarované vlastnosti a vhodnosť ich použitia pre aplikáciu sledovania teploty na ložiskovej komore podvozku nákladného železničného vozňa. Z výsledkov vyplýva, že za daných podmienok dokáže fungovať len jeden z týchto transpondérov, a tento bol aj zvolený na aplikáciu v reálnom systéme. Tento výskum je však zatiaľ len v počiatočnej fáze, ale už preukázal svoje opodstatnenie. Z výsledkov je možné vyvodiť čiastkové závery, a to, že mechanické vibrácie majú vplyv na čitateľnosť RFID transpondérov, čo sa podarilo preukázať v priebehu experimentu. Okrem týchto špecifických RFID transpondérov boli merania uskutočnené aj na jednoduchších transpondéroch, kde takisto vplyvom mechanických vibrácií dochádzalo k nefunkčnosti týchto transpondérov. Ďalej je možné z výsledkov dedukovať to, že nie všetky tagy – napriek svojim deklarovaným schopnostiam – dokážu fungovať v danom prostredí, čo vylučuje použitie daného transpondéra pre navrhovanú aplikáciu.
Predmetom ďalšieho výskumu je hodnotenie závislosti medzi mechanickými vibráciami a čitateľnosť RFID transpondérov ako prvkov RFID systémov so zreteľom predovšetkým na konštrukčnú charakteristiku antén. Identifikovať závislosť, ktorá má hlavný vplyv na čitateľnosť RFID transpondérov, na ktoré pôsobia mechanické vibrácie. Odhalenie týchto závislostí má za predpoklad pozitívny prínos pri projektovaní identifikačných systémov na báze RFID technológie.

POUŽITÁ LITERATÚRA
[1] K. FINKENZELLER, „RFID Handbook“, 2nd ed., John Wiley & Sons, NJ, 2003.
[2] V. MODRAK, P. SEMANCO and M. STRAKA, „Applying RFID for Synchonization of Factory Floor,“ in Research in Engineering and Management of Advanced. Manufacturing Systems. Ed: Modrak V., Semančo P., Balog M. Transtech publication, 2014, pp. 137 –142.
[3] R. AGARVAL, J. PRASAD, „A conceptual and operation al definition of personal innovativeness in the domain of information technology“ in Inf. Sys. Res. 9, 1998, pp. 204 – 215.
[4] V. MODRAK, P. KNUTH, „Architecture design and implementation of RFID based academic library“ in Research Journal of Applied Sciences 7, 2012, pp. 21 – 28.
[5] S. A. SUHAIRY, „Prediction of ground vibration from railways“ in Swedish National Testing and Research Institute, 2000, pp. 1 – 102.
[6] E. J. UMBLE, R. R. HAFT, M. M. UMBLE, „Enter prise resource planning: Implementation procedures and critical success factors“ in Eur. J. Oper. Res. 146, 2003, pp. 241 – 257.
[7] H. HOU, L. MA, „The relationship management of information system out sourcing provider perspective“ in: 17th International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management, 2010, pp. 1 760 – 1 763.

TEXT/FOTO ING. MIROSLAV MINĎAŠ, ING. LUCIA KNAPČÍKOVÁ, PHD., ING. ERIK SZILÁGYI, TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH, FAKULTA VÝROBNÝCH TECHNOLÓGIÍ SO SÍDLOM V PREŠOVE

Príspevok lektoroval: Ing. Petr Trávníček, Ph.D., Mendelova univerzita v Brně, ČR