Ensayos de sistemas de tracción en un banco de ensayo de alta eficiencia: resultados en tiempo real y ahorro de mano de obra
Alstom SA es una multinacional del transporte ferroviario con actividades en todo el mundo. Es un líder en sistemas de transporte de pasajeros, señalización y servicios, y posee un reconocido prestigio gracias a productos tales como sus trenes de alta velocidad AGV, TGV, Eurostar y Pendolino, a los que se suman trenes de cercanías, regionales, metro y tranvías.
Alstom cuenta con dos centros de excelencia de I+D y gestión de proyectos en la localidad belga de Charleroi, en donde trabajan 500 ingenieros y 100 investigadores. Uno de esos centros se ocupa de hacer ensayos de sistemas de tracción y convertidores auxiliares.
HBM ha ayudado a Alstom Charleroi a implantar un nuevo equipo de adquisición de datos para ensayos de sistemas de tracción y convertidores auxiliares. Es la primera vez que se utiliza una solución eDrive de HBM en este centro.
La solución eDrive de HBM combina las ventajas de unos equipos de pruebas y medición precisos y sincronizados con los ciclos de los motores, con las de un entorno de desarrollo de bancos de ensayos muy cómodo de utilizar. El concepto facilita la integración de sensores en el sistema de medida y el control de los ensayos a partir de los datos adquiridos. El sistema ofrece a los ingenieros del banco de ensayos una base de datos de fórmulas con la que pueden crear cálculos individuales de forma rápida y sencilla, para llevar a cabo tareas de ensayo y mediciones personalizadas.
Con la nueva solución eDrive de HBM, los ingenieros de Alstom llegan a reducir a la mitad sus horas de trabajo necesarias para llevar a cabo un ensayo de validación completo.
La industria del automóvil se encuentra actualmente en un complejo proceso de transición a la electrificación. En cambio, los motores eléctricos se utilizan desde hace más de 120 años en el sector ferroviario. Eso sí, a los sistemas de tracción de los trenes se les exige cada vez más en cuanto a prestaciones y eficiencia, sobre todo ahora que existen compromisos climáticos. Por eso, los fabricantes de material rodante realizan constantemente ensayos para optimizar la eficiencia de sus sistemas de tracción y sus convertidores auxiliares. Al mismo tiempo, existe una necesidad creciente de bancos de ensayos con nuevos conceptos, que permitan hacer pruebas de nuevos motores con la precisión necesaria y en plazos de tiempo mucho más cortos. El desafío es siempre el mismo: obtener resultados fiables y controlar con exactitud los procesos de pruebas.
Alstom es uno de los tres mayores fabricantes de material rodante a escala mundial y aplica esos mismos requisitos a sus equipos de ensayo.
Problema
Alstom Charleroi hace ensayos de sistemas de tracción y convertidores auxiliares para simular el funcionamiento de trenes en condiciones reales. Estos ensayos requieren un banco de ensayos con equipos precisos que proporcionen datos fiables, que puedan integrarse con rapidez y que resulten sencillos de manejar. Antes de utilizar la solución eDrive de HBM, este tipo de ensayos se realizaban con un osciloscopio (hasta 8 canales), un registrador de alta velocidad (hasta 16 canales), un analizador de espectro y mucho tiempo de posprocesamiento una vez finalizado el ensayo.
Solución
Ahora, Alstom utiliza la solución eDrive de HBM (un sistema de adquisición de datos Genesis HighSpeed al que se ha añadido el software Perception), para procesar grandes volúmenes de datos de forma rápida y fiable. Perception intercambia los datos medidos con el software LabVIEW a través de una interfaz libremente programable. Por su parte, LabVIEW controla los componentes individuales del banco de ensayos y los procesos automatizados de pruebas.
Resultado
La solución eDrive de HBM tiene un concepto modular que permite integrar sensores muy variados en el sistema de medida de una manera muy sencilla. La solución eDrive adquiere datos con absoluta fiabilidad, calcula resultados en tiempo real y los pone a disposición del sistema de control del banco de ensayos. Es posible crear fórmulas de cálculo definidas por el usuario sin necesidad de conocimientos de programación. Las fórmulas pueden aplicarse en tiempo real a los valores medidos o durante el posprocesamiento de los datos guardados. Como resultado, Alstom puede realizar una prueba completa en un tercio del tiempo que tardaba antes y ahorrar en costes de personal.
"La solución eDrive de HBM es una auténtica revolución"
El centro de Charleroi es una de las principales instalaciones en las que Alstom realiza ensayos de convertidores para los sistemas de tracción y los sistemas auxiliares de su flota de trenes. Según explica Jean-François Gregoire, experto en validación de Alstom: "En este centro validamos los sistemas de tracción estándar de los productos de Alstom. Y, cuando recibimos un nuevo pedido con requisitos diferentes para los sistemas de tracción, también hacemos aquí pruebas con los nuevos requisitos. Antes de empezar a trabajar con la solución eDrive de HBM, utilizábamos básicamente un osciloscopio (de hasta 8 canales), un registrador de alta velocidad (de hasta 16 canales) y un analizador de espectro, además de mucho tiempo de posprocesamiento y cálculos fuera de línea, cosa que no solo era laboriosa sino que además suponía un alto coste de mano de obra. La solución eDrive de HBM es excepcionalmente fácil de manejar. Todos los procesos funcionan en paralelo y en tiempo real, lo cual simplifica y reduce la complejidad de los procesos de desarrollo que se hacen desde el software de nuestro banco de ensayos.
Para mí, la solución eDrive de HBM es una auténtica revolución, por tres razones:
La duración de los ensayos se reduce a una tercera parte, lo que supone una diferencia enorme.
Podemos hacer cálculos fuera de línea a posteriori en cualquier momento, sin necesidad de repetir el ensayo.
Conseguimos un grado de detalle mucho mayor a efectos de validación, porque registramos simultáneamente todas las señales que necesitamos.
Y, de paso, los costes de personal son considerablemente menores con la solución eDrive de HBM, en comparación con el sistema anterior.
Desafío: ensayos de un sistema de tracción multitensión
La mayoría de las locomotoras utilizan un único suministro de tensión, con el que se alimenta un convertidor de tracción y un convertidor auxiliar. Pero, cuando Alstom recibió un pedido de un nuevo tren de dos pisos para la empresa belga de ferrocarriles, tuvo que validar el rendimiento del convertidor del motor, el propio motor de tracción y los sistemas auxiliares como un sistema. Y con un reto adicional, ya que los ferrocarriles belgas trabajan con un sistema de doble tensión a 3 kV y 25 kV.
En este caso, Alstom tuvo que medir 21 señales simultáneamente. Además de las señales de entrada (como la tensión y la corriente), fue preciso medir todas las señales de salida (como la corriente de fase, la tensión de CC, la velocidad y el par). En el convertidor auxiliar se debía medir la corriente y la tensión trifásicas, además de la corriente y la tensión de CC en el sistema de carga de baterías.
"Con la ayuda de los ingenieros de HBM, desarrollamos un nuevo concepto de adquisición de datos para realizar ensayos de sistemas de tracción y convertidores auxiliares. Era la primera vez que utilizábamos una solución eDrive de HBM en el centro de Charleroi. Ahora, con la nueva solución eDrive podemos medir todas las señales con un solo equipo. A la hora de validar un sistema, para nosotros es importante que cumpla nuestros requisitos de velocidad, par y corriente. Hacemos funcionar el sistema desde la velocidad mínima hasta la máxima y lo grabamos todo. La mayor ventaja de esta solución es que nos permite recopilar todos los datos necesarios en un solo ciclo de medida. Antes necesitábamos 4, 5 y hasta 10 ciclos independientes", explica Jean-François Gregoire. "Por ejemplo, para un ensayo como este hemos grabado 1.311 registros y hemos tardado dos meses. Sin el equipo de ensayo de HBM y con el sistema antiguo, habríamos necesitado entre 6 y 7 meses. Esa es la razón por la que, desde entonces, hemos comprado otras dos soluciones eDrive. Estamos utilizando una de ellas para validar el sistema auxiliar del metro de París y, la otra, en ensayos del sistema de tracción del metro de Bombay".
Los trenes modernos requieren bancos de ensayos igual de modernos
Los nuevos motores eléctricos requieren pruebas precisas; por eso, los expertos de HBM estuvieron al lado de Alstom para optimizar toda la cadena de medida de su banco de ensayos. En palabras de Jean-François Gregoire, experto en validación de Alstom Charleroi:
"Decidimos combinar Genesis HighSpeed con el software Perception y el entorno de desarrollo LabVIEW porque Perception y LabVIEW son muy fáciles de conectar por medio de una interfaz".
"La solución eDrive de HBM también nos permite integrar en el sistema de medición una gran variedad de sensores de corriente, tensión y par de manera muy fácil. Es plug & play, igual que insertar un dispositivo USB en un PC. Igualmente, podemos integrar sin dificultad sensores de vibración dentro del equipo de mediciones eléctricas. Todo ello nos ahorra tiempo (dos tercios del tiempo del personal en comparación con la versión antigua) y recursos a la hora de configurar el banco de ensayos".
Un sistema perfecto para ensayos en tiempo real extremadamente rápidos
Para adquirir todos los datos medidos con seguridad y fiabilidad, los distintos componentes del banco de ensayos deben trabajar de manera perfectamente sincronizada. Los sensores adquieren señales de medida tales como corriente, tensión, temperatura y par, y las transmiten al sistema de adquisición de datos.
El eDrive de Alstom está compuesto por un sistema de adquisición de datos Genesis HighSpeed GEN7tA, tres tarjetas de entrada GN610B, una tarjeta adicional para señales de alta velocidad de hasta 100 MS/s, el software Perception y el transductor de par T12.
Los procesadores digitales de señal (DSP) de las tarjetas se encargan de procesar los datos medidos y de calcular resultados en tiempo real. Esos resultados calculados a partir de las medidas se transmiten a LabVIEW, en donde se controla el movimiento mediante una interfaz de software libremente programable. En paralelo, el software Perception de HBM guarda todos los datos en bruto adquiridos.
"Los datos medidos y los resultados de cálculo en tiempo real se adquieren, almacenan y transmiten simultáneamente, lo cual supone una ventaja enorme a efectos de análisis —subraya Jean-François Gregoire—. "Otra ventaja: también se pueden grabar todos los datos en bruto, por si los necesitamos para llevar a cabo análisis de posprocesamiento más a fondo". Aparte de los resultados individuales sincronizados con los ciclos, los datos que se miden en continuo pueden vincularse con la base de datos de fórmulas de Perception, para procesarlos en tiempo real. Para ello, tampoco es necesario tener conocimientos de programación.
"Todavía hay una ventaja más: Perception nos permite crear nuestras propias fórmulas para efectuar cálculos y almacenarlas en la base de datos de fórmulas. Los DSP pueden utilizar estas fórmulas tanto en cálculos en tiempo real como de posprocesamiento, sin necesidad de ninguna programación de la arquitectura. Por eso nos ahorramos tanto tiempo: porque casi todo se hace automáticamente".
Facilidad de integración de sensores y sincronización de canales, pensando en el cliente
"La combinación de LabVIEW con la solución eDrive de HBM nos aporta grandes ventajas —reconoce Jean-François Gregoire—. El equipo graba los datos que proporcionan los sensores de forma sincronizada y admite frecuencias de muestreo de hasta 2 MS/s para nada menos que 51 canales de medida. Así que, si necesitamos más sensores, podemos conectarlos fácilmente. Por otro lado, la solución eDrive sincroniza automáticamente las frecuencias de muestreo de los distintos canales y tarjetas de entrada. Todo ello reduce considerablemente la carga de trabajo de los usuarios".
Durante la integración del sistema de adquisición de datos en el banco de ensayos ya existente, los ingenieros y desarrolladores de Alstom contaron con asistencia a medida de los expertos de HBM. "Los expertos de HBM nos han sido de una ayuda inestimable para extraer el máximo beneficio de su sistema. Perception es un software muy eficiente que adquiere datos con total fiabilidad. HBM nos proporcionó una formación inicial que nos convirtió rápidamente en usuarios avanzados. Y, como es tan fácil trabajar con Perception, incluso podemos definir secuencias de medición adaptadas a nuestras necesidades específicas", resume Jean-François Gregoire. "La introducción del sistema de HBM ha sido la mayor revolución que he visto desde que estoy en Alstom".
* LabVIEW es una marca comercial de National Instruments. HBM, sus programas de software y los demás artículos o servicios que comercializa HBM no están asociados, recomendados o patrocinados por National Instruments.
¿Qué es la solución eDrive de HBM?
La solución eDrive de HBM combina múltiples sistemas de ensayo en una única plataforma para simplificar los ensayos de motores e inversores. Contiene una cadena de medida completa, formada por sensores de primera calidad, analizadores de potencia y un software de análisis específico, todo para medir la potencia eléctrica y mecánica con la máxima precisión. Puede ampliarse para realizar mediciones eléctricas o mecánicas adicionales, en función de los requisitos concretos del cliente. Permite que los propios clientes o los organismos reguladores oportunos lleven a cabo auditorías de los ensayos de manera rápida y sencilla. En definitiva, ayuda a simplificar estrategias de ensayo, reduce los costes y acorta los plazos de desarrollo.
Acerca de Alstom
Alstom desarrolla y comercializa sistemas integrados que ponen las bases del transporte del futuro, liderando la transición hacia una movilidad más inteligente y sostenible en todo el mundo. La empresa ofrece un amplio catálogo de equipos y servicios, desde trenes de alta velocidad, trenes de metro, tranvías y autobuses eléctricos hasta sistemas integrados, servicios personalizados, infraestructuras, señalización y soluciones de movilidad digital. Alstom está presente en más de 60 países y da empleo a 38.900 personas.
En Bélgica, Alstom dispone de dos centros de excelencia, uno dedicado a sistemas de tracción y recuperación de energía y, el otro, a soluciones de señalización ferroviaria, incluida la norma europea ERTMS. Alstom emplea a 1250 personas en Bélgica, entre ellas 500 ingenieros, y desarrolla 20 programas de I+D dirigidos a una movilidad más inteligente y ecológica, en colaboración con universidades, pymes y start-ups. Sus equipos gestionan más de 100 proyectos en cinco continentes.