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馴服大自然的力量
自動化系統為氣候風洞測試提供安全性

【作者: 皮爾磁】   2018年01月08日 星期一

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製造商必須在鐵路或道路車輛量產前,進行多次關於舒適、安全、性能或效率的測試。位於奧地利維也納的阿森納爾鐵路技術測試中心(Rail Tec Arsenal, RTA)擁有兩座世界最大的氣候風洞,能依照需要提供各種天候條件,只要按一下按鈕,氣候風洞就能產生高達300 km/h的風速,以及太陽、下雪、下雨和結冰等天候條件,而Pilz皮爾磁的Industrie 4.0相容自動化系統PSS 4000,能確保模擬的自然力量不失控。


阿森納爾鐵路技術測試中心(RTA)是一間國際知名專為各種鐵路或道路車輛、新式運輸系統,以及所有技術設施提供極端天候條件測試的獨立研究和測試機構。RTA在其維也納的廠房內有兩座氣候風洞(Climatic Wind Tunnel, CWT),能夠獨立運作並擷取個別測量數據。其中較大型的一座CWT(長度為100公尺)能容納並測試載重物車輛(HGV)或巴士,而較小型的CWT(長度為33.8公尺)則可容納火車頭與多節車廂。


測試會在極端天候和空氣動力條件下進行,CWT可將測試過程最佳化,讓天候條件採用模組化設計,包括可選擇風速、濕度值、造雨和造雪設備,以及能彈性調整、最高輸出達1,000 W/m2的太陽能發電廠。


能測試所有天候狀況的風洞


圖1 : 在阿森納爾鐵路技術試驗中心氣候風洞內的結冰巴士(source:c RTA)
圖1 : 在阿森納爾鐵路技術試驗中心氣候風洞內的結冰巴士(source:c RTA)

維也納氣候風洞能記錄受測車輛的三個主要領域資料,包含:乘客舒適性和個別電子元件在下雨、下雪或結冰時對機械零件的運作能力,以及能源效率,並且會記錄檢驗車輛在各種情況下的能源平衡。它能同時記錄車輛與個別系統元件所需要的總能源消耗—例如:變壓器、電流變壓器或功率計,以便評估車輛內的能量流,其他測量數值包括空調系統中的壓力,以及個別車艙的壓力差。


阿森納爾鐵路技術測試中心設施管理主任Manfred Kreitmayer說明:「我們記錄各種測量值,目的是評估乘客舒適性,在顯著點測量溫度或空氣濕度,以及車輛內部的表面溫度和流動速率皆相當重要。為此我們在鐵道車廂的乘客座艙內,安裝200至250支測量感測器。」因此,CWT中車輛的技術組態設定通常是十分龐大。


颳風、下雨和下雪也能安全控制

Pilz皮爾磁的自動化系統PSS 4000能確保RTA的安全性,氣候風洞的完整安全相關控制系統,是透過自動化系統PSSuniversal PLC控制系統來操作,每個E-STOP按鈕和所有風速訊號,都採用硬式接線方式連接至控制系統,並且會監控風速訊號,因為控制系統必須確保機門在風速超過50 km/h時會連動鎖上,總共由60個I/O透過PSSuniversal PLC執行。


RTA長期以來一直與Pilz皮爾磁合作,Kreitmayer強調可靠性至關重要,他說道:「在維也納氣候風洞這樣的國際測試中心,不斷有許多國內外的客戶輪流進行測試,因此不僅廠房可靠性極為重要,安全相關元件更必須百分之百相容才行!」


以控制技術面而言,兩座CWT幾乎相同,而在硬體部份則完全相同,先前所使用的控制系統也是由Pilz皮爾磁提供,只需要稍微修改,即可直接傳輸程式設計內容。因此,即使需要將RTA等設備升級,也不需進行新的風險評估。由於廠房和相互搭配的安全標準不須變更,因此只需要將硬體更換成最新系統即可。


安全和自動化適用的自動化系統

控制系統PSSuniversal PLC是自動化系統PSS 4000中的全方位系統:可做為標準集中式安全控制系統(例如用於CWT),或是用於自動化/分散式系統。自動化系統提供各種不同的編輯器,能建立讓安全和自動化功能使用的程式。圖形程式編輯器PASmulti可輕鬆執行控制系統PSSuniversal的組態設定或程式設計。可使用PAS STL(結構化文字)、PAS LD(階梯圖) 和AS IL(指令清單)等符合EN/IEC 61131-3的編輯器,以用來編程控制系統PSSuniversal PLC。大量安全和非安全相關軟體模塊的程式庫,能確保高度標準化與多次重複使用。



圖2 : 自動化系統PSS 4000能確保位於維也納、世界最大氣候風洞整座廠房的安全性。(source: RTA)
圖2 : 自動化系統PSS 4000能確保位於維也納、世界最大氣候風洞整座廠房的安全性。(source: RTA)

自動化系統PSS 4000能以簡便的方式執行安全相關和自動化工作:PSS 4000可將廠房或機械設備分成多個機電整合單元,透過自動化系統極佳的彈性,並能在CWT的要求或生產流程變更時進行調整,這是分散式廠房特有的優點,藉由簡便的維護和診斷有助於促進機械設備的可用性。


維也納測試中心能輕鬆執行模擬天候的緊急停止


圖3 : 兩座氣候風洞的完整安全相關控制系統,都是透過自動化系統PSS 4000的PSSuniversal PLC控制系統操作,總共約有60個I/O。(source:Pilz GmbH & Co. KG)
圖3 : 兩座氣候風洞的完整安全相關控制系統,都是透過自動化系統PSS 4000的PSSuniversal PLC控制系統操作,總共約有60個I/O。(source:Pilz GmbH & Co. KG)

測試中心內曾發生需要操作緊急停止按鈕的意外事件,Kreitmayer提到,無論在任何情況,自動化系統PSS 4000的控制系統總能完美無瑕地操作,測試中心能完全依照事先制訂的流程關閉。Kreitmayer繼續說道:「您可以想像,在CWT周圍共有68組需要協調的系統—因此不可能在特定時間點將它們全部關閉。這就是為什麼需要記錄流程以確保正確關閉—Pilz皮爾磁的自動化系統也能控制此部份。」


可視當下的情況,採取不同的方案來執行這些關閉流程。例如,有可能會將變壓器切斷電源,也可能會維持變壓器的作動,以降低風速。由於RTA直接連線至變電所,其連線負載高達10 MW,因此並沒有緊急發電機,但配置許多小型不斷電系統 (UPS),能為安全控制系統和重要電腦系統提供不斷電供應。


我們的客戶包括鐵道機車製造商、汽車產業,以及奧地利的,跳臺滑雪運動員每年會使用維也納氣候風洞進行空氣動力測試。Kreitmayer說明:「氣候風洞的優點,是只需按一下按鈕,即可模擬地球上的任何一種天氣。現在汽車業再度採用此一技術,因為它非常方便,不必在極北地區苦苦等待寒冷的天氣。」


這些可以歸功於最新的自動化技術,讓維也納廠房可方便測試、成本最佳化和安全的目標。


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