Conexão de serviços

2016 Setembro 22, 13:00 CEST

O projeto inovador de rede e de antena pode abrir caminho para uma nova geração de sistemas robustos de monitoramento de condições sem fio para veículos ferroviários, afirmou Mario Rossi, gerente de engenharia ferroviária da SKF.

Como em diversos setores de transporte, a busca por aprimorar a segurança e a confiabilidade e por reduzir a manutenção no setor ferroviário está aumentando o interesse em abordagens de manutenção baseada em condições. Isso exige tecnologias de monitoramento: mudanças na temperatura, na vibração e em outras variáveis durante a operação normal podem gerar um alerta antecipado de problemas mecânicos, permitindo aos operadores agirem antes que as falhas ocorram. O problema até agora é que a instalação de uma variedade de sensores necessários para coletar esses dados de componentes fundamentais necessita de redes complexas de fiação adicional. A instalação desses cabos é cara, e sua presença faz com que a rotina de manutenção seja mais demorada e difícil.

Em um trabalho conjunto com acadêmicos de duas importantes instituições italianas1, uma equipe de engenheiros da SKF mostrou como uma rede de sensores pode operar usando comunicações sem fio com baixo consumo de energia, além de projeto, instalação e manutenção consideravelmente simplificados.

A construção de uma rede sem fio adequada para as aplicações de monitoramento de condições ferroviárias é complexa por diversos motivos. Primeiro, porque os sensores devem estar habilitados a operar por longos períodos sem precisarem ser recarregados ou substituídos. Espera-se que as caixas de mancal de alguns trens de passageiro modernos se locomovam por milhões de quilômetros entre revisões, por exemplo, e os operadores almejam dobrar essa quilometragem. A necessidade de gerar e armazenar sua própria energia significa que os sensores devem ter eficiência energética extrema, limitando significativamente a energia disponível para a transmissão de sinais sem fio.

Em contraste a essa necessidade de pouca energia estão os veículos ferroviários de grande porte. Um sensor montado na caixa de mancal pode precisar transmitir energia para um receptor que está a aproximadamente 20 m do centro do veículo, por exemplo. Os vagões ferroviários também são ambientes difíceis para transmissão sem fio. Grandes quantidades de material condutivo nos truques, no chassi e no corpo do veículo podem bloquear os sinais ou interferir neles.

Para construir uma rede sem fio capaz de se adequar a essas exigências, a equipe da SKF primeiramente precisou escolher uma frequência de trabalho adequada para o sistema indicado. Essa escolha foi afetada por diversos fatores, incluindo os regulamentos regionais que administram o uso do espectro eletromagnético, a probabilidade de interferência de outros equipamentos sobre o trem ou próximos a ele, o equilíbrio entre o volume de dados que pode ser carregado em cada frequência e o tamanho do hardware necessário.

Inicialmente, a equipe analisou três frequências possíveis: de 434 MHz, 868 MHz e 2.4 GHz. Em seguida, foram examinadas as características do sistema de ferrovias com ferramentas de simulação avançadas que demonstram o reflexo e a difração das ondas de rádio por meio da estrutura de um carro de trilho.

Essa simulação abordou uma série de configurações de rede possíveis. Isso incluiu um sistema em que os sensores em cada truque transmitiam aos receptores montados sob o teto do trem, e uma abordagem alternativa na qual os sensores estão equipados com antenas de transmissor (Tx) e receptor (Rx). Cada sensor comunica-se com os sensores ao lado e envia os dados pelo trem até um receptor final na cabina do condutor. A frequência de 2,4 GHz apresentou problemas de propagação e um potencial de interferência de sinais Wi-Fi a bordo, ao passo que as frequências de 434 MHz e de 868 MHz demonstraram ser bons valores de propagação. Após rejeitar a frequência de 434 MHz, pois exigiria antenas grandes e complexas, a equipe estabeleceu que a frequência de 868 MHz seria a mais adequada para a tarefa. Testes físicos usando um protótipo de equipamento montado em um trem de verdade confirmaram as descobertas das simulações.

O próximo elemento essencial da nova abordagem é o novo projeto de antena otimizado para os desafios únicos do ambiente ferroviário. Para que os sensores possam ser instalados exatamente onde são necessários, nas caixas de mancal de um truque, por exemplo, a dimensão total dos sensores, da eletrônica de controle e da antena deve ser pequena. Para se manter por longos períodos sob um trem, todos os projetos de antena devem estar protegidos contra a entrada de poeira e de umidade e preparados para resistir a grandes variações de temperatura e altos níveis de vibração.

Para desenvolver uma antena que atenda a esses requisitos, a equipe selecionou uma configuração chamada Antena planar de F-invertido (PIFA). Nesse projeto, os elementos da antena são desenvolvidos sobre uma placa de circuito impresso (PCB) coberta de material condutivo para servir como plano de aterramento. Um substrato dielétrico com camada metálica é adicionado ao outro lado da PCB. Essa configuração é fisicamente robusta e transmite energia em qualquer direção — outra característica importante para componentes que podem precisar ser colocados em espaços restritos.

Usando um material dielétrico com uma permissividade relativa muito alta (εr=10.9), a equipe conseguiu diminuir o tamanho da antena o suficiente para ajustá-la em uma caixa de mancal ferroviária padrão. Os testes com a nova antena montada dentro de uma caixa de mancal apresentaram um desempenho excelente e são menos afetados pela proximidade de outros objetos grandes de metal que os projetos atuais disponíveis comercialmente. Esses resultados da pesquisa estão provando ser inestimáveis à medida que a SKF desenvolve para o mercado ferroviário as próximas gerações de produtos habilitados para a Internet das Coisas.
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1 A equipe que está por trás do trabalho conta com Franco Lambertino e Mario Rossi do Segmento Ferroviário da SKF; Gianluca Dassano, Francesca Vipiana e Mario Orefice do Laboratório de Antenas e EMC (LACE), Departamento de Telecomunicações e Eletrônica, o Instituto Politécnico de Turim; e Sergio Arianos do Laboratório de Antenas e EMC (LACE), Istituto Superiore Mario Boella (ISMB), em Turim. O grupo apresentou o trabalho de pesquisa no 11º Congresso Mundial sobre Pesquisa Ferroviária, em Milão no início deste ano.

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