Lösung

APQ E5M – Energiesparende, serielle Embedded-Industrie-PC-Lösung für den Schienenverkehr

Im Schienenverkehr ist die bordseitige Zustandsüberwachung die wichtigste Datenquelle für die Zugsicherheit und die vorausschauende Instandhaltung. Sensoren für Temperatur, Vibration, Stromstärke, Geschwindigkeit und weitere Parameter erfassen in Echtzeit Betriebsdaten von Schlüsselkomponenten wie Fahrwerk, Fahrmotoren und Bremssystemen. Nach der Verarbeitung durch die bordseitigen Datenerfassungssysteme werden die Daten auf eine bodengestützte Analyseplattform hochgeladen, um Fehlermeldungen und die Zustandsüberwachung der Anlagen zu unterstützen.

Nach mehreren Runden der Produktbewertung und einer strengen Validierung vor Ort wählte der Kunde den APQ E5M Low-Power Multi-Serial Embedded Industrial PC als Kerngerät für sein Onboard-Sensordatenerfassungssystem für den Schienenverkehr.

Herausforderung für den Kunden

Gleichzeitiger Anschluss mehrerer Sensortypen:Jeder Messwagen muss mehrere Sensortypen gleichzeitig anschließen können, darunter Temperatur-, Vibrations-, Strom-, Geschwindigkeits- und Wegsensoren. Der Industrie-PC benötigt daher ausreichend serielle Schnittstellen und die Möglichkeit, flexibel zwischen den Kommunikationsprotokollen RS-232 und RS-485 umzuschalten.
Extrem niedriger Stromverbrauch und lüfterloses Design:Die Bordausrüstung ist für lange Betriebszeiten in geschlossenen Fahrzeugumgebungen mit begrenzter Wärmeabfuhr und unvermeidbarem Staub ausgelegt. Daher benötigt das Gerät einen extrem niedrigen Stromverbrauch und eine lüfterlose, passive Kühlung, um Systemausfälle durch Lüfterausfall zu vermeiden.
Kompakte Größe und flexible Installation:Der Platz in den Ausrüstungsfächern von Zügen ist äußerst begrenzt. Der Industrie-PC muss kompakt sein und verschiedene Montagearten, darunter Wand- und VESA-Montage, unterstützen, um sich an unterschiedliche Fahrzeugdesigns anzupassen.
Breiter Temperaturbereich, breiter Spannungsbereich und robustes Design:Die Betriebsumgebung von Zügen ist durch erhebliche Temperaturschwankungen und häufige Vibrationen gekennzeichnet. Das System muss einen Betriebstemperaturbereich von -20 °C bis 60 °C, einen Eingangsspannungsbereich von 12–28 V DC sowie eine IEC-konforme Vibrations- und Stoßfestigkeit unterstützen.

APQ-Lösung

Sechs serielle Schnittstellen für die gleichzeitige Verbindung mehrerer Sensoren:Das E5M verfügt über sechs integrierte COM-Ports, darunter zwei umschaltbare RS-232/485-Ports und vier RS-232-Ports. Diese umfangreiche serielle Konfiguration ermöglicht den gleichzeitigen Anschluss von Temperatur-, Vibrations-, Drehzahl-, Strom- und anderen seriellen Sensoren und erfüllt somit die Anforderungen an die Datenerfassung aus verschiedenen Quellen zur Zustandsüberwachung kritischer Fahrwerkskomponenten. Der Hochgeschwindigkeits-RS-232-Modus gewährleistet die präzise Echtzeit-Übertragung von Sensordaten.
Extrem energiesparendes, lüfterloses Design für geschlossene Bordumgebungen:Der E5M wird von einem Intel® Celeron® J1900 Prozessor mit extrem niedrigem Stromverbrauch und einer TDP von nur 10 W angetrieben. Das System nutzt eine lüfterlose, passive Kühlung und verzichtet auf empfindliche, bewegliche Lüfterkomponenten, wodurch die Ausfallrate deutlich reduziert wird. In geschlossenen Gehäusen mit begrenzter Wärmeableitung verhindert das lüfterlose Design Kühlausfälle durch Staubablagerungen oder Lüfterschäden, reduziert die Betriebsgeräusche und entlastet das Onboard-Netzteil. Ein Vollaluminium-Kühlkörper in Kombination mit einem Gehäuse aus verzinktem Stahl sorgt für ein optimales Verhältnis von Wärmeeffizienz und Stabilität.
Breiter Temperaturbereich, breiter Spannungsbereich und robust für anspruchsvolle Bahnbedingungen:E5M unterstützt einen Betriebstemperaturbereich von -20 °C bis 60 °C und einen Lagertemperaturbereich von -40 °C bis 80 °C. Sein Weitbereichs-Eingangsspannungsbereich von 12–28 V DC ist mit den Bordstromsystemen verschiedener Zugmodelle kompatibel. Das System hat Vibrationstests mit 3 Grms und Stoßtests mit 30 G bestanden und gewährleistet somit einen langfristig stabilen Betrieb in der hochfrequenten Vibrationsumgebung des Hochgeschwindigkeitsbahnverkehrs.
Kompakte Bauform und flexible Montage für beengte Installationen:Die E5M misst nur 293,5 mm × 149,5 mm × 54,5 mm und hat ein Nettogewicht von ca. 2,1 kg. Sie unterstützt VESA-, Wand- und Tischmontage und ermöglicht so einen flexiblen Einsatz in kompakten Onboard-Schränken, wodurch wertvoller Installationsplatz gespart wird.
Dual-Gigabit-Ethernet und drahtlose Erweiterung für zuverlässigen Daten-Upload:Der E5M verfügt über zwei Intel® Gigabit-Ethernet-Anschlüsse: einen für die Kommunikation mit dem Bordschalter und dem Zugsteuerungssystem und den anderen für den Datenaustausch mit der Backend-Überwachungsplattform. Ein integrierter Mini-PCIe-Steckplatz (PCIe 2.0 + USB 2.0, mit Nano-SIM-Steckplatz) unterstützt optionale 4G-Module für den Upload von Überwachungsdaten in Echtzeit. Ein M.2-Key-M-Steckplatz ermöglicht die Erweiterung mit SATA-SSDs für lokales Daten-Caching.
Umfangreiche Ein-/Ausgänge für mehrere Peripheriegeräte:Der E5M verfügt über einen USB-3.0-Anschluss und drei USB-2.0-Anschlüsse an der Vorderseite sowie vier USB-2.0-Anschlüsse an der Rückseite, insgesamt also acht USB-Schnittstellen. VGA- und HDMI-Ausgänge unterstützen den Betrieb mit zwei Bildschirmen. Die integrierten 16-Bit-GPIO-Schnittstellen ermöglichen den Anschluss verschiedener Sensoren und Aktoren. Das System unterstützt zudem die proprietären MXM-Erweiterungsmodule von APQ, die eine flexible Erweiterung um COM- oder GPIO-Funktionen für anwendungsspezifische Anpassungen erlauben.

Wertvolle Errungenschaften:

Multisensorintegration in einem einzigen System:Sechs serielle Schnittstellen (2 × RS-232/485 + 4 × RS-232) in Kombination mit Dual-Gigabit-Ethernet ermöglichen den direkten Anschluss von Temperatur-, Vibrations-, Drehzahl-, Strom- und anderen Sensoren im Fahrwerk. Die gesamte Datenerfassungsarchitektur kann ohne zusätzliche Erweiterungsmodule implementiert werden, wodurch die Anzahl der Geräte und der Verdrahtungsaufwand im Schaltschrank deutlich reduziert werden.
Langzeitzuverlässigkeit in geschlossenen Umgebungen:Die Plattform mit extrem niedrigem Stromverbrauch (10 W) und die lüfterlose passive Kühlung eliminieren Ausfallrisiken, die mit empfindlichen Lüfterkomponenten verbunden sind, und ermöglichen so eine stabile Datenerfassung rund um die Uhr in geschlossenen und staubigen Zugumgebungen. Die Ausfallrate ist deutlich geringer als bei herkömmlichen lüftergekühlten Systemen.
Stabiler Betrieb unter anspruchsvollen Bedingungen:Der Betrieb in einem breiten Temperaturbereich von -20 °C bis 60 °C, ein Weitbereichseingang von 12-28 VDC, eine Vibrationsfestigkeit von 3G und eine Stoßfestigkeit von 30G gewährleisten eine kontinuierliche Sensordatenerfassung auch bei hohen Geschwindigkeiten, Temperaturschwankungen und Gleisvibrationen in Hochgeschwindigkeitszügen und U-Bahnen und bieten somit eine unterbrechungsfreie Datenquelle für die vorausschauende Wartung.
Kompakte Bauweise spart Platz an Bord:Die kompakte Bauform von 293,5 mm × 149,5 mm × 54,5 mm ermöglicht zusammen mit VESA-, Wandmontage- und Desktop-Installationsoptionen eine flexible Integration in Bordschränke und schafft zusätzlichen Platz für andere Funktionsmodule.
Flexible Erweiterung für kundenspezifische Anforderungen:Der Mini-PCIe-Steckplatz mit SIM-Unterstützung ermöglicht die drahtlose Erweiterung über 4G/Wi-Fi, das MXM-Modul unterstützt die anwendungsspezifische COM/GPIO-Erweiterung und der M.2 Key-M-Steckplatz ermöglicht die Erweiterung der SSD-Kapazität, wodurch die vielfältigen Anforderungen unterschiedlicher Zugmodelle und Überwachungsprojekte erfüllt werden.