La SNCF piège les défauts sur ses locomotives grâce au CompactRIO

Author(s):
Charles Marczoch - Technicentre SNCF

Industry:
Transportation, Electronics

Products:
NI CompactDAQ, FPGA Module, Real-Time Module, CompactRIO

The Challenge:
Développer un système espion, compact et autonome, destiné à être embarqué sur des locomotives pour piéger des défauts difficiles à localiser.

The Solution:
S’appuyer sur la modularité, la compacité et la robustesse de la plate-forme CompactRIO pour obtenir un système d’enregistrement temps réel, personnalisé et autonome, facile à programmer.

Pour la maintenance de ses trains, la SNCF dispose de divers centres techniques, dont le Technicentre d’Oullins qui est en charge des locomotives électriques en maintenance mécanique et électrique de niveaux 4 et 5. Alors que les niveaux 1, 2 et 3 sont relatifs à une maintenance proche des voies, pour des dépannages rapides, les niveaux 4 et 5 nécessitent d'effectuer des diagnostics au sein du centre technique, et correspondent à des réparations électriques et électroniques plus précises.

L’une des missions de la Cellule Électronique du Technicentre d’Oullins est de pallier les problèmes techniques rencontrés sur des tiroirs électroniques (évolution des normes, modifications, obsolescence des composants…) qui peuvent s'apparenter à des boîtes noires. Ces tiroirs, appelés ATEC (Acquisition et Traitement des Événements de Conduite), permettent d’enregistrer la vitesse principalement et les événements qui surviennent lors de chaque trajet d’un train, y compris les actions effectuées par le mécanicien, ainsi que les signaux de voies.

Afin de localiser des défauts difficiles à identifier, car survenant de façon aléatoire, et que nous n’arrivons pas à isoler en accompagnement (présence d'un technicien dans le train), il nous fallait développer un système "espion", qui puisse être embarqué sur les locomotives concernées, afin d’enregistrer des signaux en conditions réelles, au Technicentre. Nous disposions jusqu’alors d’un système lourd (15 kg) et volumineux, basé sur un PC avec un écran, qui nécessitait un accompagnement. Nous souhaitions une solution plus compacte, qui puisse être autonome, et enregistrer les données quelques minutes avant et après l’apparition des défauts.

Compacité, robustesse, autonomie et vitesse

Nous avons regardé ce qui pouvait répondre à notre besoin, avec des exigences particulières en matière de souplesse et de coût. Nous avons écarté une solution potentielle qui présentait notamment l’inconvénient de nous obliger à développer des cartes d’adaptation aux signaux, pour lui préférer la plate-forme CompactRIO de National Instruments. Étant donné que les modules d’entrées numériques du CompactRIO acceptent des tensions jusqu’à 250 Vdc, nous n’avions pas besoin de cartes d'adaptation pour gérer les 72 Vdc de nos signaux numériques. Mais ce n'est pas la seule raison de notre choix. Loin de là.

Le système NI CompactRIO offrait à la fois la compacité, la robustesse et l’autonomie requises, avec des vitesses d’acquisition très élevées par rapport au nombre de voies, grâce notamment à l'intégration d'un circuit FPGA dans le châssis CompactRIO. Ce circuit FPGA nous permet en effet de faire tourner différentes boucles d’acquisition de façon indépendante.

Une configuration pour faire face à tous les cas de figure

En fait, le projet est né d’un défaut problématique, survenu sur un tiroir ATEC de TGV. Pour être identifié, ce défaut nécessitait une quinzaine d’entrées analogiques échantillonnées rapidement, trois entrées numériques 72 V et de 4 entrées numériques basse tension (0-10 V). C’est la raison pour laquelle nous sommes partis sur un châssis CompactRIO équipé d'un FPGA 1M (1 million de portes) avec un module NI 9201 (8 entrées analogiques ± 10 V), un module NI 9221 (8 entrées analogiques jusqu’à ± 60 V), un module NI 9435 (4 entrées numériques différentielles jusqu’à ± 250 V) et un module NI 9411 (6 entrées numériques jusqu’à ± 24 V). Cette configuration, qui permettait de résoudre le problème en question, s’est révélée capable de répondre à tous les autres besoins, dans les gammes de tension sur lesquelles nous sommes amenés à travailler.

La seule évolution qu’il a fallu apporté a concerné le nombre de portes du FPGA et le processeur temps réel du CompactRIO. Étant donné que les 16 voies analogiques sont chacune échantillonnées à 100/150 kéch./s, nous nous retrouvons avec une très grand quantité de données à gérer en post-traitement. C'est pourquoi nous avons dû passer d’1 million à 3 millions de portes pour le FPGA et adopter un contrôleur plus rapide (NI cRIO-9014). Cela a permis d’augmenter le nombre d’événements déclencheurs d’enregistrement, et le nombre de boucles d’acquisition analogique s’exécutant à des vitesses différentes. En fait, nous disposons aujourd’hui de trois systèmes : le premier avec FPGA 1M et les deux autres avec FPGA 3M, qui se distinguent, grâce à l’augmentation du nombre de portes, par un plus large éventail de modes de déclenchement et par la possibilité pour l’utilisateur de choisir le nombre d'entrées.

Il ne m'a fallu que six mois pour développer l'application de base, en sachant que je connaissais déjà la programmation graphique de LabVIEW mais sans avoir suivi de cours spécifique au module LabVIEW FPGA (qui n’existait pas encore à l’époque). J’ai dû tâtonner un peu au début car la programmation FPGA requiert quelques subtilités pour notamment optimiser le nombre de portes utilisées, mais je n'ai pas eu besoin d'apprendre de langage de bas niveaux (VHDL) généralement nécessaire à la programmation des circuits FPGA.

Un bilan très positif

Au bout du compte, nous sommes très satisfaits de notre choix. Le CompactRIO nous permet d’effectuer des acquisitions analogiques très rapides sur plusieurs voies simultanément (jusqu’à 800 kéch./s sur l’une des voies) ; ce qui est important pour nous, compte tenu des perturbations auxquelles nous sommes confrontés dans le milieu ferroviaire. Évidemment, nous sommes comblés en ce qui concerne la compacité et la robustesse du système. Il peut être placé dans des endroits où les conditions sont extrêmement sévères. Par ailleurs, nous avons été agréablement surpris par la consommation du CompactRIO (moins de 20 W) qui nous permet de ménager les batteries des locomotives.

Côté coût, nous apprécions surtout la modularité et le fait que les modules, peu coûteux, permettent d’envisager des évolutions à moindres frais.

Perspectives d’évolution

Nous espérons enrichir les systèmes existants avec la fonctionnalité GPS et GSM-R pour pouvoir envoyer directement une information au technicien lorsque le système détecte un défaut qui nécessite l'enregistrement des données. Cela permettra de limiter la quantité de données enregistrées dans la mémoire du CompactRIO. Nous allons aussi probablement agrémenter le système d’un PC pour pouvoir visualiser les données en accompagnement, via le port Ethernet du CompactRIO.

Du CompactDAQ pour des valises de maintenance

Nous aurions pu envisager d’utiliser le CompactRIO pour répondre aux besoins d’autres types d’applications, comme le test des tiroirs ATEC. Nous venons en effet de remplacer des valises de test utilisées (depuis 20 ans pour certaines) sur site, en maintenance de niveaux 1, 2 et 3. Ces valises étaient toutes différentes, pour répondre aux spécificités des différents modèles de locomotives. Nous souhaitions développer un seul et même type de valise, universelle donc. En fait, nous nous sommes orientés vers la plate-forme CompactDAQ de NI, qui suffisait amplement, associée à un PC portable pour afficher les tensions et les données, et envoyer des infos aux cartes électroniques de l’ATEC. L’aspect temps réel qui caractérise le CompactRIO n’était pas nécessaire. Il suffisait de générer des tensions de 3 kHz, et en mesure de 40 V maximum. Ce qui est intéressant c’est qu’on retrouve dans le châssis CompactDAQ (à huit emplacements) des modules identiques à ceux utilisés dans le CompactRIO. Nous avons d'ailleurs développé un module spécifique pour faire l'adaptation d'E/S en courant.

Bref, pour cette application aussi, nous avons été pleinement satisfaits du choix des produits de National Instruments.

Mai 2008

Author Information:
Charles Marczoch
Technicentre SNCF
25 ter, quai Pierre Semard
Oullins 69924
charles.marczoch@sncf.fr

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