PMX como sistema de medición centralizada y automatización

Banco de pruebas altamente realista de erosión pluvial en aerogeneradores... con la plataforma de medición y control PMX

Más rápido que un Fórmula 1: el nuevo banco de pruebas de erosión pluvial del Instituto Fraunhofer de energía eólica y tecnología para sistemas de energía (IWES) acelera una pala de rotor a velocidades de hasta 550 km/h para estudiar el efecto abrasivo de las gotas de lluvia sobre la superficie.

Las palas que se montan en los rotores de los aerogeneradores están sometidas a influencias ambientales intensas: lluvia, granizo, arena, agua salada y suciedad, que golpean las superficies y producen acumulaciones de contaminación y erosión en la pintura y los revestimientos. Sobre todo en los bordes de ataque de las palas. Las variaciones de temperatura y la radiación UV intensifican estos efectos erosivos.

Exigencias climáticas y medioambientales crecientes

Borde de ataque de una pala (segmento)

La erosión pluvial produce pérdida de material y conduce a la formación de grietas, degradando gradualmente las propiedades aerodinámicas de la pala. Estas alteraciones no solo afectan negativamente a la eficiencia de los parques eólicos, sino que incrementan las emisiones de ruido.

En el futuro, este problema tenderá a agravarse, porque los rotores deberán girar mas deprisa para elevar la eficiencia de los parques eólicos offshore. Evidentemente, cuanto mayor es la velocidad de giro, también es mayor la energía con la que las gotas de lluvia golpean los recubrimientos, lo cual propicia que los daños aparezcan en menos tiempo.

Las zonas desgastadas y los daños en la pintura y los recubrimientos son especialmente comunes en el borde de ataque, cerca de la punta de la pala. Tienen un efecto negativo en las propiedades aerodinámicas del aerogenerador y reducen su rendimiento.

Banco de pruebas de erosión pluvial en condiciones climáticas controladas

Varias empresas del sector han desarrollado un banco de pruebas dotado de unos brazos rotativos, que puede utilizarse para probar prototipos de palas a velocidades de hasta 600 km/h. Para ello, han contado con la colaboración del Instituto Fraunhofer de energía eólica y tecnología para sistemas de energía (IWES), en Bremerhaven, Alemania, en el marco del proyecto “Pluvial Erosion on Rotor Blades”, que cuenta con financiación del ministerio federal alemán de Medio Ambiente, Conservación de la Naturaleza y Seguridad Nuclear (BMU).

Esta instalación permite estudiar y analizar la resistencia de los recubrimientos de las palas de aerogeneradores a la erosión causada por la lluvia, en condiciones climáticas totalmente controladas (efecto de la radiación UVA, gotas con tamaños variables, temperatura, entorno salino, etc.). Con ella, se espera optimizar los recubrimientos de las palas, con el fin de prevenir los daños y alargar los intervalos de mantenimiento, cosa que, en última instancia, reducirá los costes.

Asimismo y con la ayuda de un recinto de pruebas, se puede estudiar la formación de hielo en los brazos rotativos y analizar el comportamiento de los recubrimientos ante la erosión causada por la lluvia y la formación de hielo, de forma combinada o consecutiva. También es posible exponer las muestras a radiación UVA, con el fin de simular el envejecimiento de los polímeros ocasionado por la luz solar.

Diagrama del recinto del banco de pruebas con un brazo rotativo para ensayos con palas

Instrumentación y sistema de control integrados

Para accionar el banco de pruebas de manera eficiente se requería un sistema de medición y control con varias características: configuración rápida, precisión de medida suficiente y resistencia a las interferencias. La plataforma de medición y control de PMX de Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH respondía perfectamente a esas exigencias. PMX dispone de los módulos de amplificación y de salida necesarios para adquirir la totalidad de las señales que interesa medir.

Sistema de medición y control PMX instalado en el armario de control del banco de pruebas

Adquisición de datos:

Todas las señales se miden individualmente y de manera sincronizada, con una resolución de 24 bits y una frecuencia de muestreo de 19.200 medidas por segundo. Los valores medidos se procesan en tiempo real. El empleo de una interfaz Ethernet integrada garantiza que todos los valores de medida relevantes se guardan en un PC en el banco de pruebas. Lo que se graba son datos en bruto, que pueden someterse a un análisis subsiguiente mediante el software DAQ catman de HBM.

Automatización:

La solución CODESYS-Soft PLC integrada en PMX, junto con sus funciones de diagnosis, mejora sensiblemente la eficiencia. PMX funciona conforme a la norma industrial internacional 61131 y se adapta a procesos deterministas de control en tiempo real, que son importantes en este proyecto tanto en lo que respecta al control síncrono del brazo del banco de pruebas como al control de la lluvia y las condiciones climáticas. El código se genera desde el entorno de desarrollo de CODESYS. A continuación, un compilador lo verifica en busca de errores, tras lo cual se traduce a código máquina, que se carga en PMX. La aplicación funciona de forma independiente a PMX.

Se pueden leer señales de sensores adicionales a través de la interfaz CANopen integrada en PMX; igualmente, se pueden enviar señales de control a los elementos pilotados. Las E/S digitales y las salidas analógicas de PMX realizan otras tareas de control.

Visualización y funcionamiento:

Visualización web del banco de pruebas CODESYS

Otro criterio decisivo a favor de PMX fue la posibilidad de manejar el dispositivo por medio de un servidor web integrado, desde cualquiera de los navegadores de Internet usuales. Con ello se elimina la necesidad de instalar software para PC y se facilita el mantenimiento y el funcionamiento remotos, empleando la tecnología de red existente.

La solución CODESYS Soft PLC integrada permite igualmente la visualización web, adaptada con precisión a la aplicación. De este modo, todas las señales y elementos de control relevantes se encuentran disponibles para manejar el banco de pruebas, incluido el control del operario.

Benjamin Buchholz, del IWES, coordina el proyecto “Rain Erosion on Rotor Blades”: “Las condiciones de prueba son variables. Las velocidades de giro y las condiciones climáticas se pueden ajustar individualmente en función de las condiciones reales en las que trabajan las palas”, explica Buchholz. “La grabación de datos meteorológicos y de funcionamiento nos proporciona la base necesaria.

“De este modo queremos garantizar tanto la calidad del banco de pruebas como la validez de los resultados finales. Gracias al sistema de medición y control integrado PMX de Hottinger Baldwin Messtechnik, hemos podido implementar todas las tareas de medición y control precisas de manera eficiente y económica”.

Resumen y perspectivas

El estudio de los mecanismos causantes de deterioro es la base para optimizar los materiales de recubrimiento, como las láminas y las pinturas, y también para definir la periodicidad del mantenimiento y establecer recomendaciones de funcionamiento de los parques eólicos. El banco de pruebas ha ayudado a los científicos a comprender mejor el proceso de deterioro y a desarrollar conceptos de protección adecuados.

El proyecto “Pluvial Erosion on Rotor Blades” (código de proyecto 41V6477) tiene una dotación económica de 1,4 millones de euros y cuenta con el patrocinio del ministerio federal alemán de Medio Ambiente, Conservación de la Naturaleza y Seguridad Nuclear (BMU). El proyecto desarrollará sus actividades hasta septiembre de 2016.

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