5. Fachsymposium Schienengüterverkehr und Bahn-Effizienz Güterwagen 4.0 Ausgewählte technologische Ansätze für einen wettbewerbsfähigen Schienengüterverkehr Prof. Dr.-Ing. Manfred Enning FH Aachen Lehrgebiet Bahnsystemtechnik Prof. Dr. Raphael Pfaff FH Aachen Lehrgebiet Schienenfahrzeugtechnik Bahntechnik-Symposium 2016 Berlin, 24. - 25. Mai 2016 www. bahntechnik-symposium.de [ xy ] - 1 Einzelwagen? Braucht man die noch? 4 Thesen 1. Der Lkw kann alles besser – Lkw-Elektrifizierung / - Konvois. Zuende gedacht? – Just in Sequence: Wartende Fahrer – Pariser Abkommen erfordert MEHR Bahn 2. Ausgleich des EWV durch andere Bahn-Produkte – Ganzzugmengen entstehen aus Wagengruppen – KV nutzt Hauptrouten, EWV auch Infrastruktur der Fläche – Hunderte Millionen Invest in Rbf sind Invest in EWV 3. Güterwagen dürfen nichts kosten. Geringe Laufleistung, nicht planbar – „Platzkarte“ im Güterzug: Xrail – Flexible Routen: Netzwerkbahn 4. Industrie 4.0 ist nicht EWV-kompatibel – Falsch! Es fehlt nur der Güterwagen 4.0 Bahntechnik-Symposium 2016 Berlin, 24. - 25. Mai 2016 www. bahntechnik-symposium.de [ xy ] - 2 Warum ist EWV oft unattraktiv? • • • • • Lange Laufzeiten durch häufige Zugumstellung im Knotenpunktsystem Unpünktlichkeit durch „Verpassen“ bzw. überfüllte Anschlüsse Hohe Kosten durch personal-/ zeitintensive Prozesse Häufige technische Störungen, Mangelhafte Ladungsverfolgung Komplizierte Prozesse auf der „letzten Meile“ Bahntechnik-Symposium 2016 Berlin, 24. - 25. Mai 2016 www. bahntechnik-symposium.de [ xy ] - 3 Neue Chancen für Steigerung der Attraktivität Foto:Enning,FHAachen • Modernisierung der ZBA weitgehend abgeschlossen • Zugumstellungen gehen schnell und flüssig • Zugvorbereitung immer noch viel zu lang Foto:Enning,FHAachen ! Verbesserung an Wagen dringend notwendig um das Potenzial heben zu können! Bahntechnik-Symposium 2016 Berlin, 24. - 25. Mai 2016 www. bahntechnik-symposium.de [ xy ] - 4 Güterwagenumläufe werden planbar Quelle:Xrail[6] • Pünktlichkeit • Buchungssystem Quelle:DeutscheBahn[7] • Mischung der Systeme Einzelwagen, Ganzzug, KV • IT-Integration • Nutzung freier Zuglängen SchnellereWagenumläufe PlanbareUmläufe Bahntechnik-Symposium 2016 Berlin, 24. - 25. Mai 2016 InvestinrollendesMaterial Voraussetzung: NutzenmussbeiAkteurenankommen www. bahntechnik-symposium.de [ xy ] - 5 Funktionalität eines „Güterwagen 4.0“ Güterwagen und Ladungen werden Dinge im Internet-of-Things (IoT) Cloud Zug-Bus LokaleBedienung Wagen • Kennt sich • Kennt seinen Zustand • Kennt seine Ladung • Ist aktiv • Ist kommunikativ „Dumme“ Ladung • Hat Eigenschaften • Änderung bei Laden „Intelligente“ Ladung • Kennt sich • Kennt ihren Zustand • Ist kommunikativ • (Ist aktiv) Güterwagen4.0hatStrom,Kommunika7onsschni:stellen,SensorenundAktoren Bahntechnik-Symposium 2016 Berlin, 24. - 25. Mai 2016 www. bahntechnik-symposium.de [ xy ] - 6 Prozessoptimierung in ZBA Durch Nutzung von Cloud- und IoT-Technologien lässt sich der Zugbildungsprozess schneller und sicherer durchführen. Auflösung • • • • Zerlegeliste ! Lok (über Cloud) (Festlegen), R-Beh absperren, HL entlüften. Trennstelle anzeigen. Rlok/ Abdrücklok setzt an ! Zugtaufe ! Bremsprobe ! Fahrt Schneller, leiser, zuverlässiger, sicherer Zugbildung • • • Slok ! Zugtaufe ! G/P-Einst ! Zugschluss ! Bremsprobe ! (WU in UIC-Gate/Big Data) Kein Laden der R-Behälter, kein Vergessen der Sperrhähne Papierlos, schnell HöhereProdukRvität wenigerInfrastrukturbedarf Bahntechnik-Symposium 2016 Berlin, 24. - 25. Mai 2016 geringeKostenjeWagen kürzererAufenthalt www. bahntechnik-symposium.de [ xy ] - 7 Vorteile im Hauptlauf Durch elektrische Energieversorgung und lokale Intelligenz gewinnen EVU, Wagenhalter und Versender durch Datenverfügbarkeit und neue Geschäftsmodelle. Für das EVU • • • • • Zugintegrität ! Voraussetzung für ETCS L3 ep-Bremsvorsteuerung Heißläufer- / Entgleisungsdetektion „on Board“ Vorwarnzeit durch Condition Monitoring Zugang zu neuen datenbasierten Geschäftsmodellen Für den Wagenhalter / ECM • Verschleißminimierung durch optimierte Bremsnutzung • Laufleistungserfassung, Condition Based Maintenance • Dokumentation von Betrieb und Wartung Für den Versender Quelle:RurtalbahnCargo[5] • Orts- und Zustandsinformation der Ladung • Nutzung der Zug-DV-Infrastruktur oder direkte Mobilfunkverbindung Bahntechnik-Symposium 2016 Berlin, 24. - 25. Mai 2016 www. bahntechnik-symposium.de [ xy ] - 8 Bahnintegrierte Produktion mit angetriebenen Güterwagen Ökologische und ökonomische Abläufe in der Produktionslogistik mit Einbindung in Industrie 4.0 werden durch intelligente und angetriebene Güterwagen 4.0 ermöglicht. • • • • Angetriebene Güterwagen als „Freiluft-FTS“ Kommunikation der Wagen untereinander, mit Intralogistik, mit Weichen Autonomes Ausweichen/ Sortieren/ Einlagern/ Auslagern Keine Kosten durch wartende Lkw-Fahrer / Minimierung des Umschlags Bahntechnik-Symposium 2016 Berlin, 24. - 25. Mai 2016 www. bahntechnik-symposium.de [ xy ] - 9 Funktionalität eines „Güterwagen 4.0“ Das Ziel der Ergänzung der Güterwagen-Funktionalität ist es, manuelle Tätigkeiten zu vermeiden. Die Verfügbarkeit von elektrischer Energie wird vorausgesetzt. Strom-Infrastruktur • Bordstromnetz, Energiegewinnung, -speicherung, ggf. Traktionsbatterie Dateninfrastruktur • Redundante, robuste CPU • Lokales Datennetz (Sensoren, Aktoren, Verbindung zu Ladung) • Datenübertragung über Kuppelstelle • Datenübertragung zum Bediener/ „Tower“ / Zentrale, in die Cloud Sensoren • Schwingung, Temperatur, Abstand, Ort/Bewegung, Drücke Aktoren • Bremssteuerung, Feststellbremse, Antrieb Bahntechnik-Symposium 2016 Berlin, 24. - 25. Mai 2016 www. bahntechnik-symposium.de [ xy ] - 10 Das „Betriebssystem“ des Güterwagens Um Insellösungen und teure Spezialentwicklungen zu vermeiden ist eine offene Standardisierung nötig – das „Betriebssystem“ des Güterwagens. Strom • Energy-Harvesting aus Vertikal- oder Fahrbewegung • Generator auf Radsatzwelle / -lager • Kompatibilität mit Straßen-(Nutz)-Fahrzeug (z.B. 48 V-Technik) • Weitere Standardisierungen: Leitungsführung, Steckverbinder, Standardzugangspunkte, Belastbarkeit • Energiemanagement (Prioritätsgesteuertes Abschalten von Verbrauchern) CPU • Dezentrale Peripherie, Standard-BS (z.B. Linux) • Standardisierte Funktionen, Aufrufschnittstellen für Sensoren und Aktoren (Güterwagenbetriebssystem) Cyber Physical System • Datenbeschreibung von Funktionen und Zustand Bahntechnik-Symposium 2016 Berlin, 24. - 25. Mai 2016 www. bahntechnik-symposium.de [ xy ] - 11 Lösungsansatz Aktorik Bremssteuerung Die Automatisierung ausgewählter Funktionen der Bremse bietet großes Potential für arbeits- und energieeffiziente Abläufe. Bistabile Funktionen • Endabsperrhähne • Bremse aus • Bremsartumstellung • Leer/BeladenUmstellung Monostabile Funktionen • A-Kammer entlüften • Ep-Bremsen Sensorik • C-Druck • Feststellbremse gelöst Außenanzeigen • HL-Druck • Feststellbremse Bahntechnik-Symposium 2016 Berlin, 24. - 25. Mai 2016 www. bahntechnik-symposium.de [ xy ] - 12 Features der Bremssteuerung Die Nutzung von Aktorik kann im Bereich Bremssteuerung viele im Zugverband händisch auszuführende Bedienhandlungen ersetzen. Isolation des R-Behälter • 90% der pneumatischen Energie bleiben erhalten C-Druck-Messung • Ermöglicht automatische Bremsprobe ep-Bremsen • Egalisiert abzubremsende Massen Elektromechanische Feststellbremse • Autom. Auflaufbremse • Keine Hemmschuhe • Reduzierte Unfallgefahr Bahntechnik-Symposium 2016 Berlin, 24. - 25. Mai 2016 www. bahntechnik-symposium.de [ xy ] - 13 Der Smart Buffer Für den Bereich der Wearables konzipierte Netzwerke können äußerst energieeffizient Daten übertragen und Entfernungen messen. • Datenübertragung: • Energieeffizient • Mesh-Routing an MAC-Adresse • Nutzung von IEEE 802.15.4 • Abstandsmessung: • Fehler < 0,1 m • Widerspruchsüberwachung (2 Puffer) • Überwachung der Zugintegrität • Wagenreihung bei Zugtaufe • Zugschlusssignal Bahntechnik-Symposium 2016 Berlin, 24. - 25. Mai 2016 www. bahntechnik-symposium.de [ xy ] - 14 Der Weg zum Güterwagen 4.0 Regulatorische Aufgaben • Allokation des ROI • Sicherheitsnachweis • Zulassung Steuerungsaufgaben • Dialog Anwender-Entwickler • Internationale Vernetzung (ERRI, ERA, UIC...) Kommerzielle und logistische Aufgaben • Betriebswirtschaftlich sinnvolle Kundenrelationen suchen • Kosten der Migration – Anschubfinanzierung • Migrationsszenarien Technische und betriebliche Aufgaben • Vernetzung/Protokolle • Wagenuntersuchung • Energy Harvesting • Energiespeicher • Antrieb • Smart Buffer Bahntechnik-Symposium 2016 Berlin, 24. - 25. Mai 2016 www. bahntechnik-symposium.de [ xy ] - 15 Foto:Tappert,FHAachen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Wir freuen uns auf Sie am 1. und 2. September bei der VDI-Tagung „Automatisierung für Schienenverkehrssysteme“ in Aachen. DerStudiengangSchienenfahrzeugtechnikimInternet:www.schiene.Z-aachen.de Bahntechnik-Symposium 2016 Berlin, 24. - 25. Mai 2016 www. bahntechnik-symposium.de [ xy ] - 16 Quellenangaben (Literatur, Internet, Bildquellen): LITERATUR: [1] Stuhr, H.; Siegmann, J.: Hat der Einzelwagenverkehr (EV) in Europa noch eine Chance. In: Eisenbahntechnische Rundschau 03/2012 [2] Bruckmann, D.; Fumasoli, T.; Grotrian, J.: Innovationen im Wagenladungsverkehr. In: Laesser, C.; Bieger, T.; Maggi, R. (ed.): Jahrbuch 2012, Schweizerische Verkehrswirtschaft, 21 – 31 [3] Kupke, Th.: Funkbasierte energieautarke Kommunikation für Eisenbahngüterzüge. Dissertation TU Braunschweig, 2007. [4] Enning, M. et al.: FlexCargoRail Definitionsphase : Berichtsband zum Verbundprojekt. Abschlussbericht BMWI, 19G7013A, 2009 Bilder: [5] Rurtalbahn Cargo, Aachen Das Copyright aller grafischen Darstellungen liegt bei den Autoren Internet: [6] http://www.xrail.eu/ Abgerufen am 13.05.2016 [7] http://www.dbcargo.com/rail-deutschland-de/products_services/netzwerkbahn.html Abgerufen 13.05.2016 Bahntechnik-Symposium 2016 Berlin, 24. - 25. Mai 2016 www. bahntechnik-symposium.de [ xy ] - 17
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