Demiryolu makas motorlarının kontrolü, kestirimci bakımı ve emniyet analizi
Railway point machine control, preventative maintanance and safety analysis
Yazar: ERCAN KIZILAY
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SİBEL ZORLU PARTAL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Fonksiyonel emniyet = Functional safety ; Güvenilirlik, elde edilebilirlik, bakım yapılabilirlik ve emniyet = RAMS ; Kestirimci bakım sistemleri = Predictive maintenance systems ; Makas motorları = Scissor motors

Özet:
Demiryolu sektöründe sinyalizasyon sistemleri, bilet rezervasyon sistemleri, ödeme sistemleri ve yük yönetimi sistemleri gibi dijital teknolojiler yaygın olarak kullanılmaktadır. Demiryolları temel ulaşım sistemlerinden biri olduğu için, bu alanda yapılan operasyonel verimlilik uygulamaları giderek önem kazanmaktadır. Bu sebeple son yıllarda demiryolu endüstrisinde, gerçek zamanlı verilere dayalı otomatik operasyonlara atıfta bulunulan Endüstri 4.0 kavramlarının kullanılması çalışmaları yaygınlaşmaya başlanmıştır. Demiryolu sinyalizasyon ekipmanlarının bir parçası olarak, makas motorlarının da operasyonel güvenilirlik, kullanılabilirlik, bakım kolaylığı ve emniyet üzerinde büyük etkisi vardır. Bir makas motorunun arızalanması durumunda, dijital teknolojiler yardımıyla maliyet ve operasyon üzerindeki etkiler en aza indirilebilir. Son zamanlarda yapılan çalışmalar, kestirimci bakım faaliyetlerinin makas motorları için de kullanılabileceğini göstermektedir. Bu sebeple bu çalışma, makas motorlarının
xiii
emniyetli operasyonu ve gerçek zamanlı verilere dayalı olarak kestirimci bakım faaliyetlerinin entegrasyon imkanları incelenmiş, kontrol sistemi geliştirilmiş ve örnek bir çalışma sunulmuştur.
Kestirimci bakım faaliyetleri, demiryolu işletmesindeki ekipmanı en sağlıklı durumda tutar, işletme maliyetlerini ve hata oranlarını düşürür. Ancak bu faaliyetleri kapsayan dijital demiryolu teknolojisi, karmaşıklık ve emniyet gibi nedenlerden dolayı sistematik bir yaklaşım gerektirmektedir. Bu geliştirme faaliyetleri, güvenilirlik, kullanılabilirlik, bakım yapılabilirlik ve güvenlik kuralları açısından CENELEC tarafından standartlaştırılmıştır. Ayrıca demiryolu sinyalizasyonunun hayati ekipmanı olan makas motoru kontrol devresi, SIL (Emniyet Bütünlüğü Seviyesi) hedefine uygun olarak, çalışmanın tüm adımlarını ve gereksinimlerini belirleyen standartlara göre geliştirilmelidir. Bu standartlardan en önemlileri RAMS (Reliability, Availability, Maintainability, Safety, Güvenilirlik, Kullanılabilirlik, Bakım Yapılabilirlik, Emniyet) süreçleri için EN 50126, yazılım geliştirme süreçleri için EN 50128 ve donanım geliştirme süreçleri için EN 50129 standartlarıdır. Bu sebeple bu çalışma kapsamında; kavram, tanım, risk analizi, gereksinimler, mimari yapı, tasarım ve prototipleme, EN 50126 standartına uygunluğa göre yapılmıştır. EN 50129'a göre güvenlik analizi için FMEA (Hata Modları ve Etkileri Analizi) ve FTA (Hata Ağacı Analizi) kullanılmıştır. Bu analizlerle bir kontrol devresinin 1oo2D kompozit hata emniyetli donanım tasarımı araştırılmıştır.
Donanım tasarımı sırasında EN 50124 ve EN 50122 standartlarına göre EMC (Elektromanyetik Uyumluluk) yalıtım koordinasyonu ve aşırı gerilim koruma konularının, ekipmanların fonksiyonel güvenliği üzerindeki etkileri tartışılmıştır. Yapılan tasarım çalışmasına göre SCADE Suite ile EN 50128'e göre emniyet-kritik yazılımlar geliştirilip, test edilmiştir. Oluşturulan kod Texas Instrument Hercules TMS570LS12x'e yüklenmiş ve geliştirme kartında yazılım-donanım entegrasyonu test ediliştir. STM32F411 ve Yapı Merkezi İDİS Ulaşım Teknolojileri tarafından üretilen YMIDIS CVI100A60V akım algılama modülü ile yüksüz makas akım ölçümleri ve FFT hesaplamaları yapılmıştır. Kontrol devresinde kestirimci bakım algoritması oluşturulmuş, CANbus üzerinden teşhis bilgileri toplanmıştır.

Abstract:
Digital technologies are widely used in the railway sector, such as signaling systems, ticket reservations, payment systems, freight management. Since railways are essential transportation systems, operational efficiency becomes important. These interactions led studies to the usage of Industry 4.0 concepts which refer to automated operations based on real-time data in the railway industry. As part of railway signaling equipment, the point machines have a great impact on operational reliability, availability, maintainability, and safety. In case of a point machine being down, the effects on cost and operation can be minimized with the help of digital technologies. Recent studies show that preventative maintenance activities can be used for point machines. Preventive maintenance activities keep equipment in its healthiest condition, reduce operation costs, and low error rates. However, because of its complexity and safety reasons, the development of digital railway technology requires a systematic approach. These development activities are standardized by CENELEC, strictly respected for reliability, availability, maintainability, and safety rules. Electrical characteristics of the motor in operation can provide information about the condition of the point machines. The fault detection and diagnostic methods are based on the equipment's typical characteristics. These characteristics are normalized displacement profiles against voltage, current, and force. Centralized data acquisition becomes a better option when considering the railway environment, the stability of sensors placed on equipment, and the difficulty of data transfer. Furthermore, monitoring the object controller increases maintainability and availability thus making point operation more effective. As vital equipment of the railway signaling, point machine object controllers should be developed according to EN 50126, EN 50128, and EN 50129 standards which identify the steps and requirements of the development in accordance with SIL (Safety Integrity Level) target. The purpose of this study is the possibility of the integration of safety operation and preventative maintenance activity based on real-time data. EN50126 standard approach was considered and, the concept, definition, risk analysis, requirements, architecture, design, and prototyping were conducted throughout this study.
FMEA (Failure Modes and Effects Analysis) and FTA (Fault Tree Analysis) have been used for safety analysis in accordance with EN 50129. Concerning these analyses, 1oo2D composite fail-safe hardware design of a controller has been researched. EMC (Electromagnetic Compatibility) effects on the functional safety of equipment, insulation coordination, and over-voltage protection were discussed during hardware design according to EN 50124 and EN 50122 standards. Safety-critical software developed, tested based on EN 50128 with SCADE Suite.
Generated code was uploaded to Texas Instrument Hercules TMS570LS12x, and software-hardware integration was tested on the development board. A maintenance algorithm was created, and current measurements and sample FFT calculations of a no-load point machine have been completed with STM32F411 and YMIDIS CVI100A60V current sensing module. Additionally, safety module diagnostic information was collected over CANbus.