Print

IoT v extrémních podmínkách

-- 15.07.19

Společnost KPCS CZ už během loňské Rallye DAKAR začala spolupracovat s týmem Martina Macíka (Big Shock Racing) na vývoji zařízení, které by během závodu sbíralo a zaznamenávalo veškerá zajímavá data pro pozdější analýzu. Například rychlost, otřesy, nadmořskou výšku, zrychlení a zpomalení nebo teploty kritických částí závodního kamionu Liaz.

V průběhu roku během testování v Česku, na závodech ve Španělsku a při ostrém testu v tuniské Sahaře docházelo k vylepšování zařízení tak, aby devítitunová bestie zvládla extrémní teploty, výkyvy v napájení, vibrace a otřesy způsobené těžkým terénem při jízdě v rychlosti 140 km/h. Dnes je v kamionu již třetí verze zařízení, v poslední verzi má schopnost přes LTE modem odesílat data on‑line. Zobrazování a analýza dat je tak možná již během závodu.

Jednotka zabudovaná v závodním kamionu poskytuje změřená data ve formátu, který již plně vyhovuje následnému přímému zobrazování, analýze a pokročilejší vizualizaci. Veškeré informace jsou předávány do síťového úložiště ve standardním formátu JSON (přesněji JSONL, JSON Lines), vzorkování se běžně pohybuje okolo vteřiny. Takto připravený datový zdroj je přímo připojován do nástrojů a služby Microsoft Power BI pro další zpracování před zobrazením „datové palubní desky“.

Posádka a podpůrný tým závodního vozu se zajímají o řadu údajů při analýze činnosti různých systémů. Při etapách ve velkých nadmořských výškách (obecně nad cca 2 000 m n. m.) je důležitým ukazatelem korelace mezi momentální nadmořskou výškou a výkonnostními parametry motoru (v zobrazení ze strategických důvodů nejsou poskytnuty veřejně). Parciální tlak kyslíku ve vysokohorské atmosféře zásadně ovlivňuje chod motoru a jeho výkonnost, posádka tak může zpětnou analýzou průběhu etapy nastudovat, zda styl jízdy v souvislosti s řídkou atmosférou v různých částech trati nevede ke zbytečným časovým ztrátám. Jiným důležitým údajem jsou teploty na přední a zadní nápravě (přesněji diferenciálu), u nichž nehraje roli jen výskyt extrémních hodnot během závodu, ale též celkové trendy během etap.

Dalším důležitým ukazatelem je rychlost vozu, přesněji přehledy naznačující úhrnný čas strávený v určitém rychlostním pásmu. Posádka může zpětně kontrolovat, zda příliš často nevystupuje do zóny poměrně riskantní jízdy, obzvláště v souvislosti s velkou nadmořskou výškou, kdy po delší době jízdy stoupá riziko jezdecké či technické chyby posádky. Tyto informace je užitečné také vztáhnout kupříkladu ke „komfortu“ posádky, neboť únavu zvyšuje především kolísání a extrémy teplot v pilotní kabině, silné vibrace a nárazy zase vedou k poměrně silným přetížením.

Volně dostupné zobrazení dat z kamionu zahrnuje především výše zmíněné parametry z průběhu jízdy. Důležitou roli hraje modul GPS v měřicí jednotce, který poskytuje především dostatečně přesnou časovou synchronizaci, ale vedle toho pochopitelně i souřadnice polohy a odvozenou nadmořskou výšku. Dalším výstupem jsou údaje o teplotách z čidel na nápravách kamionu či v kabině posádky. Souhrny o vibracích a přetížení jsou shromažďovány z akcelerometru a gyroskopu a následně interpretovány po případných výpočtech.

Přehledná data jsou zobrazována zpětně jako souhrny přinejmenším ze dvou důvodů. Jednotka je schopna vysílat data průběžně, ovšem v oblastech závodních tratí není připojení pomocí služby GSM příliš běžné. Vedle toho jednotka zaznamenává data, jejichž přímé využití při závodu není povoleno pravidly, a proto jsou příslušné souhrny dostupné posádce až po dokončení příslušných etap.

Vývoj motoru

Jelikož vývoj špičkového motoru není nic, co zvládne okresní autoservis, bylo třeba obrátit se na nejpovolanější odborníky. Volba padla na tým z VUT Brno.

Vývoj motoru probíhá v laboratoři na motorové brzdě a při jeho postupném ladění se sbírá a analyzuje obrovské množství dat. Jak ale chcete v Brně v nadmořské výšce 237 m n. m. nasimulovat množství kyslíku (respektive atmosférický tlak) odpovídající nadmořské výšce 4 952 m n. m. (letošní výškový rekord Rallye Dakar)? Těžko. Tento úkol připadl KPCS IoT zařízení a on‑line sběr dat během závodu.

Ideální by bylo změřit, jaký výkon měl motor v různých nadmořských
výškách, maximálně data doplnit o teplotu vzduchu. Stejná situace by se následně nasimulovala v laboratoři a hurá, ladění motoru na další závod může začít!

A co na to realita?

Realita je ale podstatně košatější. Především neexistuje způsob, jak měřit výkon motoru za jízdy. To je možné pouze na motorové brzdě čili v laboratoři. Také je téměř nemožné plně nasimulovat stav vysokohorské atmosféry. I kdyby se neměnilo složení vzduchu (což není jisté), je potřeba nasimulovat měnící se tlak. A to nejen na sání (což by třeba šlo pomocí přesně regulovaného zaškrcování přívodu vzduchu), ale i na výfuku. Tam je totiž paradoxně nižší tlak výhodou, protože usnadňuje odchod spalin z motoru.

A tak zbývá něco na hranici sci‑fi knih. Za pomoci hodnot naměřených během závodu a analýzy jejich korelace společně vytvoříme matematický model závodního motoru. A simulace tlaku vzduchu už bude najednou pouze softwarovou úpravou.

Máme nyní k dispozici enormní množství dat z průběhu rallye. Jejich využívání pro dolaďování motoru průběhu rallye bylo užitečné, ale při přípravě dat pro matematický model se ještě KPCS analytický tým zapotí. Tak například potřebujeme přesné údaje o zrychlení kamionu v různých nadmořských výškách. Zrychlení známe jednak z akcelerometru, jednak z GPS. Při znalosti hmotnosti kamionu a odporu vzduchu v dané výšce by takto šel dopočítat i výkon. Ale tak jednoduché to zase nebude. Použít lze data pouze z úseku, kde pilot využívá plný plyn. Dále se musí jednat o rovný úsek bez zatáček.

Takže zase pomocí GPS záznamů odstraníme všechny zatáčky. Dále je třeba odstranit vliv terénu a prokluzování. Musíme tedy vypočítat poměr zrychlování z GPS a poměr zrychlování otáček z motoru a všechny záznamy, kde tento poměr neodpovídá kvůli prokluzování, odstranit. Dále je potřeba odstranit vliv řazení, to znamená zachovat jen úseky dat mezi zařazením dalšího rychlostního stupně. Na závěr potřebujeme do modelu započítat vliv náklonu terénu. Ne že bychom chtěli přímo odstranit všechny úseky, které byly z kopce či do kopce. To už by nám nic nezbylo. Náklon terénu do dat zaznamenáme jednak z gyroskopu, jednak z GPS. Ve stejném datovém setu zobrazíme  veškeré údaje z motoru a jedna malá část úkolu je tak hotová.

IOT data a turbodmychadlo

Další velmi hezký a komplikovaný případ datové analýzy na základě IoT dat sbíraných při závodě jsou údaje používané pro řízení turbodmychadla. Jenže tady už se dostáváme za hranici toho, co nám dohoda se závodním týmem umožňuje zveřejnit. Je mnoho dalších závodních týmů, které by velmi zajímalo, jak turbo ve vozu BigShock Racing týmu funguje. A tuto informaci jim z pochopitelných důvodů sdělit nechceme.

Závěrem

Meziroční zlepšení výsledku na Rallye Dakar z desátého na páté místo má samozřejmě spoustu příčin a je za ním obrovské množství práce. Je nám ale velkou ctí, že můžeme být součástí tohoto úspěchu a s využitím technologií od Microsoftu přispívat ke zlepšování parametrů již tak velmi sofistikovaného závodního stroje.

Abychom lépe pochopili rozsah nákladů na 14denní Rallye, popišme si trochu zázemí závodního týmu. Kromě závodního kamionu se po Jižní Americe v týmu BigShock Racing pohybuje několik dalších neméně důležitých vozidel. Zázemí pro posádku poskytuje „Bydlík“ – bývalý závodní kamion předělaný na terénní obytný vůz, ve kterém může spát až 12 členů posádky. Ten zároveň převáží 2 000 litrů nafty a zhruba stejné množství vody. Součástí týmu jsou dále dvě terénní  Toyoty Hilux, které prošly stejnými úpravami jako závodní vozidla a mohou tedy na závodní trať (jedna je pro BigShock media team včetně kameramana, druhá je pro náš #IoTbyKPCS tým). Nyní se dostáváme k tomu hlavnímu, což je doprovodný kamion MAN, který tvoří zároveň dílnu a sklad na v zásadě druhý závodní kamion v náhradních dílech. Některé díly se vezou v mnoha kusech. Na Dakar 2017 se například vezlo 6 turbodmychadel. Jak asi tušíte, funkční turbo je pro závodní automobil naprosto zásadní věc.

Proč se jich vezlo šest? Preventivně se totiž měnilo každou druhou etapu, protože nebylo možné zjistit, jestli je ještě v pořádku, nebo ne. To poslední, co potřebujete, je přijít na závadu během etapy v závodě, v němž po 12 etapách je rozdíl mezi prvním a druhým kamionem jedna vteřina!

V posledním závodě se turbo měnilo pouze jednou. Průběžnou kontrolou chování a teploty turba je totiž možné určit míru jeho opotřebení a neměnit ho zbytečně. Cena turbodmychadla se pohybuje v desítkách tisíc korun, je tedy zřejmé, jak může IoT spořit náklady. Jediným problémem bylo, jak měřit teplotu turbodmychadla. Kvůli chlazení není možné umístit turbo do žádného krytého prostoru. Takže je vystaveno náporu prachu, vody, kamení, písku a podobně. Běžně během závodu dosahuje teploty až 1100 °C, což je krajní mez tavení jakéhokoliv kovu. Teplotní čidlo odolávající takovýmto podmínkám neexistuje, navíc by se muselo zabudovat do všech náhradních turbodmychadel a výměna turba by se tím zkomplikovala. Nezbývalo než zvolit čidlo distanční. Tak jako již mnohokrát ve vývoji komponentů závodního kamionu bylo třeba kontaktovat špičkové odborníky daného odboru, tentokrát z Vysoké školy báňské. Výsledek? Průběžné sledování chování teploty a tlaku v turbodmychadle, sledování chování v závislosti na teplotě okolí, otáčkách motoru, rychlosti a terénu.

Už jsme se zmiňovali o analýze chování diferenciálů. Z hlediska technického provedení a analytiky šlo o podobný problém: distanční měření a kontrola průběžného chování teploty diferenciálu. V Rallye Dakar 2017 poškození diferenciálu během závodu znamenalo konec nadějí na slušné umístění. Kombinací použití vylepšeného diferenciálu a jeho průběžné kontroly se letos během závodu žádné problémy nevyskytly a nebylo ani nutné jej preventivně měnit.

Další naprosto zásadní komponentu závodního kamionu představují brzdy. Pískové retardéry se na závodní trati nevyskytují, kamion jezdí téměř dvojnásobnou rychlostí než ty, které znáte z D1 a schopnost kdykoliv prudce zabrzdit je pro čas v cíli stejně důležitá jako zrychlení. Nemluvě o důležitosti přežití posádky při brzdění na kraji útesu…

Kromě toho, že nové obložení stojí zhruba jako nový automobil nižší střední třídy, je výzvou zase teplota. Ač je obložení podobné nejlepším keramickým materiálům z dílny NASA, má své limity. A je třeba ohlídat a analyzovat, proč se kamion dostal na hranu teplotních limitů. Teplotní analýza má dva druhy využití. Jedno je okamžité – v kabině je třeba zobrazit hraniční hodnotu teploty brzdového obložení dříve, než dojde k jeho zničení. Změnou stylu jízdy je pak možné obložení zchladit a zachránit výsledek etapy.

Dalším a složitějším úkolem je dlouhodobá analýza chování brzd během závodu a analýza souvislostí se stoupáním, chováním řidiče a podobně.

Výsledkem analytické činnosti je v ideálním případě prodloužení životnosti brzd (čili úspora nákladů), rychlejší průjezd etapy a zvýšená spolehlivost závodního stroje.

Velkým poučením z posledního Dakaru je chování chladicí soustavy. Bohužel došlo opakovaně k poškození chladiče a chladicího ventilátoru.
Úkolem pro příští Dakar je najít metodu sledování chladiče a ventilátoru a upozornit posádku včas na nestandardní situaci tak, aby nedošlo ke zničení ventilátoru a proražení chladiče. Vypadá to na vzdálenou analýzu vibrace vrtule a eliminaci vlivu vibrací kamionu při analýze.

Autor: Z podkladů KPCS CZ – Jan Kořán


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Technical Computing Camp 2019
2019-09-05 - 2019-09-06
Místo: Hotel Fontána, Brněnská přehrada
Moderní technologie ve farmacii
2019-09-24 - 2019-09-24
Místo: Brno
Moderní technologie v potravinářství
2019-09-25 - 2019-09-25
Místo: Brno
Mezinárodní strojírenský veletrh 2019
2019-10-07 - 2019-10-11
Místo: Výstaviště Brno
MSV TOUR 2019
2019-10-07 - 2019-10-10
Místo: MSV, Brno

Katalog

EWWH, s. r. o.
EWWH, s. r. o.
Hornoměcholupská 68
102 00 Praha 10
tel. 734 823 339

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

B+R automatizace, spol. s r.o.
B+R automatizace, spol. s r.o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel. +420 541 4203 -11

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

COGNEX
COGNEX
Emmy-Noether-Str. 11
76131 Karlsruhe
tel. 720 981 181

všechny firmy
Reklama


Tematické newslettery




Anketa


Na internetu
V tištěných médiích
Na veletrzích a výstavách
Jinde

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   
Copyright © 2007-2019 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI