PMX aporta posibilidades innovadoras a la medición de par en bancos de pruebas

La medición de par, velocidad de giro, ángulo de rotación y las magnitudes derivadas de estas variables tiene una importancia cada vez mayor en el diseño de nuevos bancos de pruebas para uso en entornos industriales. Además de unos requisitos crecientes de precisión y velocidad, hay otros criterios decisivos como, por ejemplo las opciones de automatización y la posibilidad de obtener un funcionamiento más eficiente. ¿Cómo se puede conseguir todo eso?

Este artículo discute los factores de éxito más importantes:

¿Qué requisitos debe cumplir un banco de pruebas innovador?
¿Cómo deben diseñarse los sensores de par?
¿Qué se puede hacer para mejorar las prestaciones de la medición de par?
¿Qué prestaciones deberían tener los sistemas de adquisición de datos y automatización?
¿Qué concepto de automatización de tareas debería utilizar la tecnología de medición basada en bus de campo?
¿Cuáles son las características del concepto de servicio?

1. ¿Qué requisitos debe cumplir un banco de pruebas innovador?

Uno de los principales objetivos —a escala política y económica— consiste en desarrollar normas para la siguiente generación de vehículos de alta eficiencia; en concreto, normas dirigidas a los vehículos medios y pesados. Estos desarrollos contribuirán a la seguridad energética y a la reducción de la contaminación, ahorrando dinero y propiciando innovaciones en la industria de producción. Todo ello plantea un desafío a los fabricantes y a los ingenieros a cargo de las cadenas cinemáticas: mejorar las prestaciones de los motores actuales y futuros, dotándolos de una eficiencia de consumo en línea con la normativa. Por supuesto, también tendrán que diferenciarse de sus competidores y estar a la altura de las expectativas de los clientes.

En la actualidad, uno de los factores esenciales para el éxito radica en la capacidad para responder con rapidez a las necesidades del mercado con nuevos productos que, no obstante, deben tener una fiabilidad contrastada. Para ello, los fabricantes deben acortar sus tiempos de desarrollo y emplear métodos de pruebas eficientes y flexibles. Eso, a su vez, requiere una separación organizativa y temporal de la preparación y la realización de las labores de prueba. En este terreno es posible mejorar la eficiencia en un factor de 10. En industrias como la automovilística y la de aviación, la eficiencia energética es un aspecto de importancia capital. En estos sectores, cada vez se presta más atención al desarrollo de motores, a la mejora de la resistencia de rodadura y a la eficiencia de conversión energética.

En primer lugar, debe ser posible configurar con rapidez estructuras de pruebas. Esto se puede conseguir empleando sensores inteligentes y sistemas amplificadores de medición capaces de comunicarse entre sí y de intercambiar datos de configuración; por ejemplo, mediante detección de los datos de los sensores a través de TEDS. Y, naturalmente, se requieren lecturas de alta calidad y precisión. Las bridas medidoras de par de las series T10, T12 y T40 cumplen ambas condiciones: alta precisión combinada con elevada dinámica y velocidad de giro.

Por otro lado, el amplificador de medición y el sistema de control deben ser capaces de procesar en tiempo real los datos de medición: solo así se puede regular el banco de pruebas. Igualmente, es esencial que la instalación proporcione datos de medición de alta resolución, que se puedan guardar y analizar. Y, para que todo ello redunde en mejoras reales de eficiencia, todas estas funciones deben combinarse en un solo aparato.

El amplificador de medición PMX^® se ha desarrollado con estas premisas. Se puede utilizar en instalaciones de pruebas y ensayos, pero también como sistema de medida y automatización en entornos de producción. Esta libertad es posible gracias a la posibilidad de integrar de forma flexible canales de medición y de salida. Dependiendo del nivel de automatización, se pueden utilizar interfaces analógicos o de bus de campo Ethernet en tiempo real.

En concreto, esta flexibilidad de los componentes físicos y la posibilidad de registrar datos con frecuencias de muestreo y resoluciones altísimas ofrece a los usuarios mejoras de eficiencia con un factor de 30.

2. ¿Cómo deben diseñarse los sensores de par?

Los transductores de par modernos, como los de las series T10, T12 y T40 de HBM, deben ser capaces de trabajar con datos digitales y altas frecuencias de muestreo. Esa es la única manera de que estén a la altura de las exigencias de las pruebas funcionales. Aparte del par, las señales de salida disponibles deben ofrecer magnitudes tales como velocidad de giro y ángulo de rotación. Estas magnitudes son importantes a la hora de calcular variables derivadas, como la potencia o la eficiencia de conversión energética. Esta operación de cálculo se lleva a cabo en el sistema de automatización PMX^® de HBM. Las señales medidas se convierten en señales de frecuencia para asegurar una transmisión exenta de ruido. Esta conversión es indispensable en las condiciones ambientales adversas que suelen existir, ya que la calidad de una medición no puede verse afectada por los campos electromagnéticos que producen los grandes motores o los inversores de frecuencia. Esa calidad viene dada por las propiedades metrológicas más importantes de los sensores de par:

Clase de precisión
Tolerancia de sensibilidad
Estabilidad térmica
Desviación de la linealidad e histéresis

En HBM, se hace un especial énfasis en la calidad y la conformidad de los datos durante el desarrollo de sensores de par.

No obstante, el usuario debe tener en cuenta los campos de aplicación y los límites de carga:

Límites de velocidad de giro
Ancho de banda admisible de las oscilaciones
Límites de fuerzas laterales y longitudinales
Temperaturas máximas

3. ¿Qué se puede hacer para mejorar las prestaciones de la medición de par?

Las señales de medición de los sensores de par se adquieren mediante un módulo PX460. para medición de frecuencia. Esta tarjeta, insertable en el sistema PMX, proporciona una exactitud del 0,01% y ofrece un máximo de cuatro entradas para sensores de par T10, T12 o T40. Es posible incluso combinar sensores de distintas series. Con el fin de optimizar los datos de medición, el sistema amplificador PMX^® incorpora una serie de canales internos de cálculo especialmente adaptados al funcionamiento y el uso de transductores de par. Trabajan exactamente como canales de medición en tiempo real, con velocidades de cálculo de 50 microsegundos.

Ofrecen, por ejemplo, una linealización de 21 puntos de la curva característica del transductor de par. Esta posibilidad mejora la señal bruta del sensor que entra en PMX^® más allá de la precisión especificada en la ficha de datos Esta señal medida mejorada puede seguir procesándose, lo cual eleva la calidad de medición del banco de pruebas.

En lo que respecta a la calibración, hay otra forma de proceder, que consiste en utilizar funciones polinómicas. Mediante un polinomio, es posible mejorar la exactitud en un factor de 10, puesto que este tipo de ajuste presenta la curva característica del sensor de forma más precisa. Los coeficientes del polinomio del sensor se determinan durante la producción y, de nuevo, durante la posterior calibración del sensor. Como solamente se requiere un polinomio de tercer grado, la parametrización de los canales de medición de PMX resulta muy sencilla, lo cual evita errores.

Para mejorar la exactitud de los transductores de par, se pueden utilizar equipos de calibración que caractericen el comportamiento del sensor en distintas situaciones de carga. Estos equipos permiten, por un lado, aplicar cargas en sentido horario y antihorario y, por otro, aplicar con precisión el 100% de la carga nominal o bien cargas parciales. Esta posibilidad de carga parcial es necesaria, por ejemplo, cuando se desea medir un par de rotura residual. Para ello, durante la calibración del transductor se miden distintos casos de aplicación y se determinan las curvas características correspondientes según las normas DIN51309 o VDI / VDE 2646, indicándolo en el protocolo de calibración. Estas curvas características pueden almacenarse en PMX^®. Posteriormente, se utiliza una u otra dependiendo de la aplicación concreta. A partir de los parámetros que se miden, PMX^® es capaz de reconocer cuál es el caso de aplicación relevante y, de forma automática, carga la curva característica predefinida para el transductor.

Otra función importante es el procesamiento paralelo e independiente de los valores de medición en bruto; por ejemplo, el filtrado. El filtrado sirve parar adaptar las señales con el fin de regular y automatizar el banco de pruebas. Esta combinación de salidas analógicas y bus de campo Ethernet en tiempo real que ofrece PMX^® permite automatizar de manera eficiente los bancos de pruebas.

Filtrado especial para pruebas de motores de combustión: debido a los ciclos de compresión y expansión de los cilindros individuales, y a las correspondientes fluctuaciones en la combustión, el par que genera un motor tiene una evolución altamente dinámica. En muchos sistemas de medida, esta evolución parece "ruido" (o cambios muy rápidos). Esta fluctuación puede eliminarse con ayuda de un filtro CASMA (un filtro sincronizado con el ángulo).

Otras funciones se encargan de la determinación de valores pico o valores medios de la señal medida, y sirven para caracterizar y documentar los límites de la prueba. A su vez, estos valores de control se pueden monitorizar mediante valores límite o bandas de tolerancia en tiempo real, con el fin de pilotar el banco de pruebas.

Si se dispone de valores en bruto de par y de velocidad, se puede calcular la aplicación de par en tiempo real, empleando para ello canales de cálculo matemático. Se pueden utilizar elementos de sincronización para corregir desfases adicionales en las señales de medida. Esas diferencias se producen en caso de cargas de alto rendimiento en el lado del transductor, y pueden tener un efecto negativo en los resultados de medición.

Señales de prueba: PMX ofrece a los usuarios una opción muy cómoda, consistente en simular señales y estados del sistema, y en comprobar la capacidad funcional durante la puesta en marcha, sin necesidad de poner totalmente en funcionamiento el banco de ensayo. Esta operación puede llevarse a cabo en el lado del sensor, activando una "señal de shunt". El transductor de par emite el 50% de su señal nominal, lo que permite hacer una comprobación "en seco". PMX cuenta igualmente con generadores de señal internos que pueden utilizarse para simular secuencias de pruebas estáticas y dinámicas.

4. ¿Qué prestaciones deberían tener los sistemas de adquisición de datos y automatización con tecnología de medición basada en bus de campo?

El espectro de señales de medida que se pueden adquirir es muy amplio, y va desde las señales simples, que se adquieren a baja frecuencia (por ejemplo, un valor de temperatura que varía lentamente), hasta datos de medición complejos medidos simultáneamente a alta frecuencia; por ejemplo, señales de par, adquiridas de forma síncrona con señales de ángulo de rotación y de velocidad de giro. Para ello, el sistema de adquisición debe ser robusto y preciso; no basta con que lo sean los sensores. Ambos elementos deben tener la misma clase de precisión, que debe ser de al menos el 0,1% o, mejor aún, el 0,01%. Por otro lado, la velocidad de muestreo de las señales es tan importante como la exactitud de medida. Debe ser lo bastante alta como para registrar y mostrar de forma fiable cambios parciales rápidos o de poca intensidad. Para captar valores pico, disponer de la velocidad de cálculo necesaria y obtener una regulación de buena calidad, todos los canales de medición y cálculo deben muestrearse en paralelo, con una frecuencia de al menos 20 kHz, lo que equivale a una ventana de medición y cálculo de 50 microsegundos. En el campo de la medición de par, el sistema PMX se complementa con la tarjeta insertable PX460, que trabaja a 38,4 kHz y explota al máximo el ancho de banda de las señales de medida de los sensores de par.

Además del tratamiento de los datos, la configuración estándar ofrece al usuario una completa información de diagnóstico. Gracias al diseño de su hardware en tiempo real, PMX soporta tiempos de ciclo de bus ≤ 10 kHz con sus interfaces Ethernet en tiempo real y reduce al mínimo la latencia de la transferencia de mensajes.

Dependiendo de la aplicación de automatización, se encuentran disponibles las siguientes interfaces Ethernet en tiempo real:

EtherCAT
PROFINET (protocolo IRT)
Ethernet/IP

Aparte de generar señales de medición y control, estos buses de campo pueden funcionar en paralelo dentro de PMX. En este caso, PMX funciona como un "esclavo" de un controlador "maestro" ubicado en el banco de pruebas. De este modo, el sistema puede ofrecer la dinámica necesaria para aplicaciones de simulación de ciclos de transmisión y carga altamente dinámicos.

5. ¿Qué concepto de tareas automatizadas debería elegirse?

Ante todo, hay que hacer una distinción entre sistemas basados en PC y sistemas integrados. La diferencia afecta a la adquisición de datos de medición, el control/regulación y la visualización. Si la aplicación requiere un tiempo real de alto nivel (determinista), entonces debe recurrirse a un sistema integrado. El volumen de datos en juego es relativamente pequeño, pero el tiempo es un factor altamente crítico.

Los sistemas basados en PC no permiten aplicar una regulación en tiempo real de alto nivel ("hard"). Con un PC, los recursos se distribuyen uniformemente entre todos los componentes. Por ello, en algunos momentos, las tareas de control deben "esperar" para ejecutarse. La duración de los ciclos es de 50 ms o más; en definitiva, un orden de tiempo que no es adecuado para una regulación rápida y fiable del banco de pruebas.

En casos como estos, los sistemas integrados resultan mucho más potentes, ya que dedican sus recursos enteramente a las tareas de regulación, por medio de una CPU interna. Lo mismo se puede decir de las soluciones PLC "soft" integradas en los sistemas de medición. PMX puede equiparse con un PLC "soft" con el fin de controlar toda la secuencia del ensayo.

Hoy día, con las nuevas tecnologías web, cada vez existe una mayor demanda de sistemas de visualización. Tienen una ventaja imbatible: solo requieren un navegador web actualizado y se pueden utilizar desde toda clase de dispositivos: ordenadores, tablets e incluso smartphones. La movilidad de estos dispositivos y, por tanto, su disponibilidad, son cualidades cada vez más apreciadas tanto por los usuarios como por el personal de mantenimiento. Otra gran ventaja es que no hace falta instalar software adicional en el dispositivo que sirve como terminal. Siempre hay un navegador presente.

Funcionamiento y visualización web

De nuevo, conviene hacer dos distinciones en lo que respecta al almacenamiento de datos en bancos de pruebas. Si solo se registran o almacenan los resultados finales de la prueba, se pueden utilizar sistemas integrados. Sin embargo, cuando interesa almacenar grandes cantidades de datos y datos en bruto, los sistemas basados en PC ofrecen una ventaja clara, ya que disponen de opciones de almacenamiento masivo (por ejemplo, discos duros).

En este caso, el software DAQ puede guardar los datos en un PC en paralelo a las operaciones de medición y control. La oferta va desde programas estándar que se comercializan listos para utilizar —y que están adaptados a este tipo de tareas— hasta soluciones especiales que llevan a cabo las tareas mediante drivers y API (Application Programming Interface).

La documentación de los resultados de las pruebas también puede llevarse a cabo de distintas maneras. Los sistemas basados en PC pueden guardar fácilmente resultados individuales y, si es preciso, imprimirlos en PDF. Sin embargo, existe una tendencia hacia una documentación orientada a bases de datos, en la que los resultados y los datos de medición se transfieren y archivan en grandes bases de datos. Los informes necesarios se generan entonces mediante interrogaciones e informes que describen el estado, el uso de la capacidad o la calidad de los componentes.

6. ¿Cuáles son las características del concepto de servicio?

Los requisitos de servicio pueden dividirse entre "servicio in situ" y "servicio remoto". Los sistemas de medición y control deben proporcionar un soporte activo al personal "presencial" durante las operaciones de puesta en marcha y mantenimiento. Dicho de otro modo: debe ser posible consultar el estado de los valores medidos y el del dispositivo, y obtener la información deseada directamente a través de un display led en el dispositivo o de un menú en el navegador web. Igualmente, se pueden utilizar archivos de registro para almacenar y consultar los errores y los detalles de funcionamiento del dispositivo. Estas herramientas son especialmente útiles cuando se investigan errores o efectos esporádicos. Otra posibilidad consiste en utilizar "señales de monitorización" consistentes, por ejemplo, en señales de tensión interconectadas con señales de medida o canales de cálculo con fines de monitorización. Cualquier técnico de servicio puede medir estas señales sobre el terreno. Los archivos de registro se pueden almacenar en el dispositivo con un alto nivel de seguridad y pueden descargarse y archivarse desde un navegador web con fines de documentación.

Servicio eficiente mediante funciones de diagnóstico integradas y memoria de errores

Conclusión

Los transductores de par avanzados y potentes, como los de las series T10, T12 y T40 de HBM, combinados con sistemas integrados con interfaces de comunicación abiertas, como la plataforma de amplificación PMX^® de HBM, son perfectamente adecuados para realizar tareas de medición y regulación de alta calidad.

Se observa una tendencia general hacia la convergencia entre las tecnologías de medición convencionales, por un lado, y las soluciones de automatización, por el otro. Además de controlar las secuencias de medición, estos sistemas modernos también son capaces de controlar máquinas y bancos de pruebas avanzados.