Daimler Trucks North America (DTNA) Daimler Trucks North America (DTNA) | HBM

HBK ayuda a garantizar la integridad estructural de los camiones Daimler

Daimler Trucks North America (DTNA) es el mayor fabricante de camiones pesados de Norteamérica. Tiene su sede en Portland, Oregón, y produce vehículos comerciales bajo las marcas Freightliner, Western Star y Thomas Built Buses.

Sus clientes confían en camiones como el nuevo Western Star 49X para todo tipo de operaciones de transporte y para mantener sus empresas y negocios en marcha. En dos palabras, necesitan vehículos fiables que soporten cientos de miles de kilómetros. DTNA hace pruebas de sus camiones en el laboratorio, en pistas de pruebas y en carretera, con el fin de dar la mejor respuesta a la necesidades de sus clientes, y de garantizar una larga vida útil, tiempos de inactividad mínimos, confort y seguridad para los conductores.

Problema

Daimler Trucks North America necesitaba una solución que correlacionase los datos de las pruebas de campo con los de los ensayos de laboratorio, para verificar que los ensayos de laboratorio simulen de verdad las condiciones del mundo real y garantizar la fiabilidad de sus productos. De paso, quería reducir radicalmente el tiempo de configuración de los ensayos; por supuesto, sin sacrificar la calidad de los resultados, que debían ser absolutamente fiables y reproducibles.

Solución

Se seleccionaron sensores, hardware y software de Hottinger Brüel & Kjaer (HBK) para automatizar la gestión de los datos y la colaboración, GlyphWorks para el análisis de datos y SomatXR con el software catman, como herramienta de adquisición de datos.

Resultados

Con los nuevos equipos, el tiempo de preparación de las pruebas se ha reducido en un 60%, pasando de 12 a 5 horas. Los sensores se conectan a un sistema de adquisición de datos SomatXR instalado a bordo, que a su vez se conecta al controlador a través de EtherCAT. Con ello, aparte de reducirse la complejidad del cableado, se ahorra un tiempo que antes se dedicaba a solucionar problemas de ruido analógico y eliminar bucles a tierra en el cableado analógico. 

El reto de la adquisición de datos

Este programa de pruebas tan exhaustivo supuso un desafío especial para Joe Griffin, ingeniero de pruebas del Laboratorio de vibración de DTNA en Portland, que desempeña labores de ingeniería de validación de productos. Como ingeniero de pruebas en un laboratorio de ensayos de resistencia estructural, se le encargó desarrollar una solución que correlacionase los datos de las pruebas de campo con los de los ensayos de laboratorio. Objetivo: que los ensayos de laboratorio simulen fielmente las condiciones del mundo real, para garantizar la fiabilidad de los productos de DTNA. Para cumplir esta misión, Griffin se armó con sensores, equipos y software de Hottinger Brüel & Kjær (HBK); en concreto:

  • Herramientas para automatizar la gestión de los datos y la colaboración entre usuarios
  • GlyphWorks, para el análisis de datos
  • SomatXR y el software catman, para la adquisición de datos

Pero la empresa le encargó algo más: aparte de verificar que los ensayos de laboratorio simulen las condiciones de circulación reales de las carreteras, se le pidió que simplificara la metodología de ensayos del laboratorio de durabilidad estructural de DTNA. Así que necesitaba una forma de reducir radicalmente el tiempo de configuración de los ensayos; eso sí, sin sacrificar la calidad de los resultados, que debían ser absolutamente fiables y reproducibles.

En 2016, DTNA modernizó su laboratorio y adquirió controladores Labtronic 8800ML, de Instron, para sus vibradores. Una de las razones por las que se eligió el controlador Instron fue porque permitía a los usuarios conectar el equipo de adquisición de datos al controlador a través de un bus Ethernet en tiempo real, llamado EtherCAT™.

EtherCAT

EtherCAT (siglas de Ethernet Control Automation Technology) proporciona una conexión con alto ancho de banda entre los dispositivos (clientes) y una aplicación maestra o de control, que utiliza una tecnología de "reloj distribuido" para integrar y sincronizar todos los datos. EtherCAT supone una ampliación de la norma de Ethernet IEEE 802.3, que permite transmitir datos con una temporización predecible y una sincronización precisa. En lugar de recibir, interpretar, procesar y copiar los paquetes Ethernet en cada dispositivo y en cada conexión, el protocolo EtherCAT transmite los datos directamente dentro de un frame Ethernet estándar, pero sin cambiar su estructura básica.

Cuando un frame pasa por uno de los dispositivos cliente de la red EtherCAT, el dispositivo toma los datos que le corresponden. Del mismo modo, inserta los datos de entrada con un desfase de unos pocos nanosegundos. Como los frames EtherCAT contienen datos de muchos dispositivos que funcionan en modo de transmisión y recepción, la velocidad de transferencia utilizable se incrementa en más de un 90%. Esto permite aprovechar plenamente las características full duplex de 100BASE-TX, y alcanzar velocidades de transmisión de datos efectivas superiores a 100 Mbit/s.

En el pasado, todas las entradas del controlador del vibrador eran tensiones puramente analógicas, procedentes del conversor digital-analógico (DAC) de una placa puente eDAQ. La señal de los sensores (por ejemplo de galgas extensométricas en configuraciones de tipo puente) primero se digitalizaba en un conversor analógico-digital (ADC) y después volvía a normalizarse a una tensión de ±10 V, que se conectaba al controlador en paralelo, sensor a sensor. Este proceso era muy laborioso y se prestaba a errores. Por otro lado, el uso de entradas y salidas analógicas también limitaba el número de canales que podían utilizarse para la correlación e imponía restricciones en términos de longitudes de cable.

Para reducir los tiempos de configuración —y los errores asociados—-, DTNA necesitaba un equipo de adquisición de datos capaz de integrarse con el master EtherCAT de Instron empleando un único cable.

ComparativaAntiguo sistema analógicoNuevo sistema digital
190 canales

190 x ADC

Configurar 190 x ADC

190 x ADC

190 x Cables de tensión (BNC)

Configurar 190 x DAC

Configurar 190 x ADC

190 x ADC

Configurar 190 ADC (TEDS)

1 x cable (Ethernet 4 x 2 pares)

Actualización automática del master EtherCAT

# EtherCAT es una marca registrada de Beckhoff.

HBK: un socio ya conocido, de confianza y con experiencia

Después de una fase de evaluación, los ingenieros de pruebas de DTNA se decantaron por HBK. Una de las razones por las que lo eligieron fue por su amplia experiencia en el campo de la integridad estructural. Y también porque... ya eran usuarios de sus productos. DTNA lleva más de 15 años utilizando los sistemas de adquisición de datos Somat eDAQ y sabe que se trata de una tecnología de medición con solidez a toda prueba en las condiciones de ensayo más duras.

HBK suministró a DTNA exactamente lo que buscaba. DTNA especificó un sistema articulado en torno a la nueva y robusta serie SomatXR, con la siguiente configuración de módulos:

Con este sistema, DTNA puede adquirir datos de todos los tipos de sensores que emplea en sus ensayos. El sistema, además, ha demostrado su capacidad para recopilar datos en entornos tan difíciles como la pista de pruebas o el laboratorio de ensayos de durabilidad.

En el laboratorio, el sistema de adquisición suministra datos al controlador Instron a través de EtherCAT, en tiempo real y con una latencia mínima. En paralelo, también transmite datos a un PC equipado con el software catman, a través de Ethernet y sin limitaciones de ancho de banda. La única diferencia entre el sistema de adquisición que se utiliza en la pista de pruebas y el sistema de adquisición de datos del laboratorio de durabilidad es un módulo: el que conecta el sistema a la red. De este modo, resulta sencillo garantizar la integridad de los datos y la comparabilidad entre las configuraciones del laboratorio y de la pista de pruebas.

Es cierto que el proceso tuvo su curva de aprendizaje; por ejemplo, DTNA tuvo que aprender a utilizar el nuevo sistema de adquisición conjuntamente con el hardware y el software del controlador del vibrador. Sin embargo, HBK también fue el socio perfecto en este capítulo. HBK es uno de los pocos fabricantes que ofrece un registrador móvil capaz de funcionar con la misma facilidad en un entorno de laboratorio.

HBK consiguió la integración con EtherCAT en tiempo real en 2008 con QuantumX, la versión "no robusta" de SomatXR. Al igual que QuantumX, SomatXR ofrece dos rutas gemelas de señal. Todas las entradas generan dos rutas de señal digital. Con ello, por un lado, se resuelven las limitaciones de ancho de banda de EtherCAT y, por otro, se da al usuario la posibilidad de seguir utilizando el software catman para la adquisición de datos y para analizar la integridad estructural de la muestra objeto del ensayo:

-        1ª señal: salida de baja latencia en tiempo real orientada con un tiempo de bucle de 1 ms.

-        2ª señal: salida de adquisición de datos y análisis para PC, horofechada y de alta velocidad, de hasta 100 kS/s por señal individual, dependiendo del tipo de módulo.

De la pista de pruebas al laboratorio de ensayos

Para que sus ensayos de laboratorio sean realistas, DTNA utiliza los datos que obtiene en el mundo real, más concretamente en su centro de pruebas de High Desert, en la localidad de Madras, Oregón. Esta instalación entró en funcionamiento en 2017. Ocupa 35 hectáreas y tiene una pista de pruebas de 5,6 km, con superficies preparadas para simular prácticamente todas las condiciones que pueden encontrarse los vehículos de DTNA en la vida real. La topografía tridimensional de las condiciones del firme se basa en una muestra de situaciones de conducción elaborada por Daimler en carreteras europeas. El objetivo era crear una carretera con un perfil realista, válido no solo para el centro de pruebas de Oregón sino también para el otro que tiene la empresa en Alemania.

Los vehículos que se someten a ensayos en la pista de pruebas se instrumentan con diferentes sensores; por ejemplo:

  • Acelerómetros (tipo MEMS de CC: 50g, 0 … 2000 Hz)
  • Galgas extensométricas (350 Ohm, células de carga con configuraciones de ¼, ½ y puente completo)
  • Transductores de fuerza de rueda (6 x WFT de tensión analógica MTS SWIFT o Kistler RoaDyn a través de CAN)
  • Sensores de desplazamiento (LVDT, potenciómetros de filamento)
  • Sensores de tensión (de efecto Hall, sensores propios)

Aunque el número de canales varía en función del tipo de vehículo, DTNA utiliza siempre un mínimo de siete sensores; para accionar un vibrador, se necesitan tantos canales registrados como actuadores se utilicen en el ensayo de durabilidad del laboratorio. En esta aplicación se emplean cuatro actuadores verticales, dos actuadores longitudinales y un actuador de movimiento adelante/atrás.

En una prueba típica de carretera, DTNA recoge datos de 48 sensores. Cuantos más datos se recopilen, más realista puede ser la simulación en el laboratorio de vibración. El sistema de adquisición de datos SomatXR recoge la señal de todos estos canales mientras un piloto de pruebas conduce el vehículo por la pista. Esta fase consume unas dos semanas de tiempo.

GlyphWorks y nCode Automation para análisis de datos, almacenamiento y generación de informes

Una vez que se han obtenido todos los datos de las pruebas, Griffin y su equipo los analizan con ayuda de GlyphWorks. GlyphWorks es un sistema de procesamiento de datos de HBK que ofrece un amplio espectro de herramientas, unas estándar y otras especializadas, para llevar a cabo análisis de durabilidad. Está diseñado para gestionar grandes volúmenes de datos y dispone de una interfaz gráfica de usuario idónea para visualizar, analizar y manipular los datos de las pruebas. En definitiva, es un sistema que ahorra tiempo y dinero.

Lo primero que hace DTNA con GlyphWorks es identificar y extraer los datos correspondientes a los tramos de carretera más significativos, que son aquellos en los que el vehículo circula sobre un firme liso. Los analistas eliminan las secciones de los datos que no es posible simular en un vibrador. Esta estrategia de concentrarse exclusivamente en los datos más aplicables permite realizar los ensayos de laboratorio en un tiempo mucho menor de lo que requieren las pruebas de durabilidad en la pista de pruebas.

Una vez que se han obtenido todos los datos de las pruebas, Griffin y su equipo los analizan con ayuda de GlyphWorks. GlyphWorks es un sistema de procesamiento de datos de HBK que ofrece un amplio espectro de herramientas, unas estándar y otras especializadas, para llevar a cabo análisis de durabilidad. Está diseñado para gestionar grandes volúmenes de datos y dispone de una interfaz gráfica de usuario idónea para visualizar, analizar y manipular los datos de las pruebas. En definitiva, es un sistema que ahorra tiempo y dinero.

Lo primero que hace DTNA con GlyphWorks es identificar y extraer los datos correspondientes a los tramos de carretera más significativos, que son aquellos en los que el vehículo objeto de la prueba circula sobre un firme liso. Los analistas eliminan las secciones de los datos que no es posible simular en un vibrador. Esta estrategia de concentrarse exclusivamente en los datos más aplicables permite realizar los ensayos de laboratorio en un tiempo mucho menor de lo que requieren las pruebas de durabilidad en la pista de pruebas.

Una vez que se han "limpiado" los datos de las pruebas en carretera, los ingenieros utilizan GlyphWorks para calcular la función de transferencia del sistema y generan un archivo de control inicial. Este archivo de control contiene los datos que se suministran al controlador Instron, que a su vez se encarga de controlar los vibradores del laboratorio.

El paso siguiente es refinar el archivo de control. Para ello, se instrumenta un espécimen —por ejemplo, la cabina de un camión—, colocando sensores en las mismas posiciones que en el vehículo que se ha empleado en la pista de pruebas. A continuación, se carga el archivo de control en el controlador Instron, se ejecuta y se mide la respuesta en la posición de cada uno de los sensores.

Seguidamente, se utiliza de nuevo GlyphWorks para comparar estos datos recién adquiridos con los obtenidos en la pista de pruebas. Si se aprecia una diferencia significativa entre unos datos y otros, se calcula un nuevo archivo de control, teniendo en cuenta la desviación entre ambos conjuntos de datos. El proceso se repite hasta que la diferencia entre los datos del laboratorio y los de la pista de pruebas se reduce a un valor razonable. Normalmente, se necesitan entre 8 y 12 iteraciones para que los ingenieros estén seguros de que el archivo de control garantiza una prueba rigurosa.

Ese "valor razonable" se basa en el buen juicio de los ingenieros de pruebas de durabilidad de Daimler y en la comprensión de las diferencias entre un chasis y un vehículo completo. También se utiliza el software Instron TWR para combinar el error en el valor RMS y cálculos de pseudodaños en los transductores con valores fijos de intercepción y pendiente. Asimismo, los ingenieros utilizan comparaciones de cruces de nivel para valorar si se produce un número correcto de pasos por el cero durante el ensayo, y qué niveles de amplitud deben captarse. Todo ello varía según la finalidad del ensayo: un ensayo sencillo de un capó tiene un tratamiento diferente al de un ensayo con un bastidor de chasis.

Una vez que se dispone de un archivo de control final, se puede iniciar el ensayo de durabilidad. Y, una vez completado el ensayo, se vuelve a utilizar GlyphWorks para analizar los datos obtenidos. Cuando los datos están listos para ser archivados, se utiliza nCode Automation, un entorno web específico para almacenar y generar automáticamente informes a partir de datos técnicos. nCode Automation también forma parte de la familia de productos de HBK y, aparte de facilitar el almacenamiento y la recuperación de los datos de un ensayo, ayuda a compartir datos con los ingenieros de diseño.

"Me encanta este trabajo"

A algunos ingenieros, la pasión por los camiones les viene de familia. Joe Griffin es de esos. Su padre fue ingeniero en Daimler Trucks, y su madre también trabajó en la empresa, desempeñando distintas funciones. Así que, de niño, no dejaba de oír historias sobre la empresa y cómo era el trabajo allí.

Cuando terminó el instituto, Joe estudió ingeniería Mecánica en la Universidad de Portland. En 2014, ya estaba haciendo prácticas en el laboratorio de vibración. En 2015 se licenció y se incorporó a Daimler a tiempo completo. Una de sus primeras tareas consistió en conducir camiones a lo largo y ancho de Estados Unidos, recopilando datos que pudieran ser de ayuda a Daimler para construir una pista de pruebas mejorada.

Cuando  se decidió modernizar el laboratorio de ensayos de durabilidad en 2016, se puede decir que estaba en el lugar correcto en el momento adecuado. Quizás porque se había licenciado hacía poco, no tuvo ningún problema en adoptar la nueva tecnología. Además, sus superiores depositaron en él su confianza para poner en producción los nuevos sistemas.

Cuando hablas con Joe, tienes la sensación de que es el tipo perfecto para este trabajo. Siente una pasión natural por los camiones y por perfeccionarlos hasta la obsesión. "¡Me encanta este trabajo!", exclama.

EtherCAT para sincronizar las conexiones y reducir los costes

La integración de EtherCAT en SomatXR ha proporcionado una serie de beneficios a DTNA:

  • Ahorro de costes mediante el uso de una misma solución para pruebas de campo, de laboratorio y en banco de ensayos.
  • Datos analógicos de alta calidad y una solución fiable que se puede escalar libremente.
  • Ahorro de costes y espacio mediante una solución totalmente digital, con menos materiales y componentes (simplificación).
  • Ahorro de tiempo y costes gracias a una enorme reducción de la complejidad y el tiempo de configuración (como mínimo, del 60%), con una integración automática "plug and play" con Instron, sin necesidad de generar y leer archivos intermedios (ESI).

Más información sobre EtherCAT

Conclusión

Esta modernización del laboratorio de pruebas ha sido una buena inversión para Daimler, y Griffin atribuye gran parte del éxito a la apuesta por la "digitalización"; es decir, al empleo de EtherCAT (abreviatura de Ethernet for Control Automation Technology) para conectar los sistemas de adquisición de datos con los bancos de ensayo del laboratorio y la infraestructura de IT. EtherCAT es una tecnología que ofrece tiempos de ciclo muy cortos y sincronización horofechada entre los nodos de una red EtherCAT.

A pesar de la curva de aprendizaje, la digitalización ha demostrado ser el camino correcto. El sistema de adquisición de datos SomatXR funciona muy bien con los bancos de ensayos de Instron. "Prácticamente, solo hay que conectarlo y ponerse a trabajar", comenta Griffin.

Con los nuevos equipos, el equipo de Griffin ha reducido el tiempo de preparación de las pruebas en un 60%, pasando de 12 a 5 horas. En lugar de tender cables (largos) de sensores analógicos entre el objeto del ensayo y el controlador, ahora los sensores se conectan a un sistema de adquisición de datos SomatXR a bordo, que a su vez se conecta al controlador a través de EtherCAT. Con ello, aparte de reducirse la complejidad del cableado, se ahorra un tiempo que antes se dedicaba a solucionar problemas de ruido analógico y eliminar bucles a tierra en el cableado analógico. La señal digital es inmune al ruido, ya que se digitaliza inmediatamente en el amplificador, después de pasar por un filtro analógico integrado.

Según Griffin, el software catman de SomatXR contribuye a ahorrar tiempo de configuración y a mejorar la calidad de los datos:

"catman nos va guiando a través de la configuración de una forma muy cómoda. También se encarga de comprobar los canales en busca de fallos en los sensores o en los cables, y eso nos encanta. La adquisición de datos en bruto, el análisis de datos y la preparación nos ayudan a pasar más rápidamente de las ideas a los resultados".

Otra ventaja es que los datos de medida tienen una calidad muy superior a la que podía obtenerse antes. Según Griffin:

 "Los datos son mejores y eso da más pistas a nuestro cliente interno —ingeniería mecánica— para mejorar y optimizar sus diseños".

El resultado final: camiones más fiables con costes de pruebas más bajos y plazos más cortos para transformar los diseños en productos reales.

Acerca de DTNA

Daimler Trucks North America es el mayor fabricante de vehículos comerciales de Norteamérica. Tiene su sede en Portland, Oregón, y produce vehículos comerciales bajo las marcas Freightliner, Western Star y Thomas Built Buses, mediante las cuales da respuesta a multitud aplicaciones de vehículos comerciales en una gran variedad de sectores. La empresa también es un proveedor líder de motores diésel y componentes para aplicaciones pesadas y medias.