HBK aide Daimler Trucks à garantir l'intégrité de sa structure

Daimler Trucks North America (DTNA) est le premier constructeur de poids lourds en Amérique du Nord. Basée à Portland, dans l'Oregon, DTNA produit des véhicules commerciaux sous les noms de marques Freightliner, Western Star et Thomas Built Buses.

Pour le travail et le bon fonctionnement des activités, les clients font confiance aux camions de Daimler, et notamment au nouveau Western Star 49X. Ils ont besoin de véhicules fiables capables de parcourir des centaines de milliers de kilomètres sur la route. Pour répondre aux besoins de ces clients exigeants, veiller à une durabilité à long terme et un temps de fonctionnement optimal, et garantir le confort et la sécurité du conducteur, DTNA teste ses camions en laboratoire, sur piste d'essai et sur route.

Problème

Daimler Trucks North America (DTNA) devait développer une solution associant données d’essais sur le terrain et données d’essais en laboratoire, pour garantir que les essais en laboratoire simulent bien les conditions du monde réel, assurant par la même occasion la fiabilité des produits de DTNA. L’entreprise devait aussi trouver une solution pour réduire sensiblement le temps de préparation des essais, tout en veillant à ce que les résultats de ces essais soient très fiables et reproductibles.

Solution

Joe Griffin a opté pour des capteurs, du matériel et des logiciels de Hottinger Brüel & Kjær (HBK), et notamment Automation pour la gestion de données et la collaboration, GlyphWorks pour l'analyse des données, ainsi que SomatXR data acquisition avec logiciel catman.

Résultats

Grâce à ce nouvel équipement, le groupe a réduit de 60 % le temps de préparation des essais, qui est ainsi passé de 12 à 5 heures. Les capteurs sont liés à un système d’acquisition de données embarqué SomatXR qui se connecte ensuite au contrôleur par l’intermédiaire d’EtherCAT. Cette technique permet de réduire le temps de câblage, mais aussi d’éliminer le temps passé à réparer les problèmes de bruit analogique, et à trouver et éradiquer les boucles de sol dans le câblage analogique. 

L’acquisition de données : un défi

Cette approche globale en matière d’essais a posé un problème particulier à Joe Griffin, ingénieur d'essai au Product Validation Engineering (PVE) Shaker Lab à Portland. En tant qu’ingénieur d’essai au laboratoire des essais de durabilité structurelle, son travail consistait à développer une solution alliant données d’essai sur le terrain et données d’essai en laboratoire, pour faire en sorte que les essais en laboratoire simulent bien les conditions du monde réel et garantissent de ce fait la fiabilité des produits de DTNA. Joe Griffin a choisi pour cela des capteurs, du matériel et des logiciels de Hottinger Brüel & Kjær (HBK), notamment :

  • Automation pour la gestion des données et la collaboration
  • GlyphWorks pour l’analyse de données
  • le système SomatXR data acquistion avec logiciel catman

En plus de s'assurer que les essais en laboratoire reproduisent fidèlement les conditions routières du monde réel, Joe Griffin était aussi chargé de rationaliser la manière dont DTNA effectuait les essais dans le laboratoire d'essai de durabilité structurelle. Il devait trouver une solution pour réduire considérablement le temps de préparation des essais tout en obtenant des résultats d’essai très fiables et reproductibles.

En 2016, DTNA a modernisé son laboratoire en achetant des contrôleurs d’agitateurs Instron Labtronic 8800ML. L'équipe a opté pour le contrôleur Instron dans la mesure où il lui permettait, notamment, de connecter le matériel d'acquisition de données au contrôleur par l’intermédiaire d’un bus en temps réel basé sur Ethernet, et dénommé EtherCAT™.

EtherCAT

EtherCAT (Ethernet Control Automation Technology) offre une connexion à large bande passante entre les appareils (clients) et l'application maître ou de contrôle, en utilisant la technologie de « l'horloge distribuée » qui intègre et synchronise toutes les données. EtherCAT étend la norme Ethernet IEEE 802.3 et permet la transmission de données avec un timing prévisible et une synchronisation précise. Les paquets Ethernet ne sont plus reçus, interprétés, traités et enfin copiés sur chaque appareil et dans chaque connexion. Le protocole EtherCAT continue de transmettre les données directement dans une trame Ethernet standard, sans en modifier la structure de base.

Les appareils clients EtherCAT enregistrent les données qui leur sont destinées au fur et à mesure que la trame traverse l'appareil. Les données entrantes sont, de même, insérées au fur et à mesure de leur passage, avec un décalage de quelques nanosecondes seulement. Comme les trames EtherCAT contiennent des données provenant de nombreux appareils fonctionnant à la fois en mode émission et en mode réception, le taux de données utilisable passe à plus de 90 %. On peut ainsi exploiter pleinement les caractéristiques de duplex intégral de 100BASE-TX et atteindre des débits de données effectifs de plus de 100 Mbit/s.

Toutes les entrées du contrôleur d’agitateurs étaient jadis des lignes de tension purement analogiques provenant de la connexion DAC de la couche de pont de l'eDAQ. Les capteurs comme les jauges de contrainte utilisées dans les configurations de type pont étaient numérisés par ADC, puis normalisés à ± 10 V et raccordés au contrôleur en parallèle, capteur par capteur. La préparation prenait beaucoup de temps et présentait un risque d’erreur. L’utilisation d’entrées et de sorties analogiques avait aussi pour effet de limiter le nombre de canaux qui pouvaient être utilisés pour la corrélation et la longueur du câble.

Pour limiter les temps de préparation, et limiter le nombre d’erreurs, DTNA avait besoin d’un équipement d’acquisition de données soutenant l’intégration d’Instron au maître EtherCat, par l’intermédiaire d'un câble unique.

ComparaisonAncienne voie analogiqueNouvelle voie numérique
190 canaux

190 x ADC

Configuration 190 x ADC

190 x ADC

190 x tension de câbles (BNC)

Configuration 190 x DAC

Configuration 190 x ADC

190 x ADC

Configuration 190 ADC (TEDS)

1 x câble (Ethernet 4 x 2 paires)

Mise à jour automatisée du maître EC

# EtherCAT est une marque déposée de Beckhoff

HBK entre en action

Les ingénieurs d’essai ont décidé, après évaluation, de collaborer avec HBK. S’ils ont opté pour HBK, c’est notamment parce que HBK possède une expérience étendue en matière d’intégrité structurelle. Une autre raison est qu’ils utilisaient déjà des produits HBK. DTNA utilise depuis plus de 15 ans des systèmes d'acquisition de données Somat eDAQ, faisant ainsi confiance à sa technologie de mesure et sa robustesse dans des conditions d’essai difficiles.

HBK a su répondre parfaitement aux attentes de DTNA. Le système spécifié par DTNA comprenait les unités suivantes de la nouvelle série motorisée SomatXR Series, avec la configuration de module suivante :

Ce système permet à DTNA d'acquérir des données à partir des différents types de capteurs utilisés lors de ses essais et s'est avéré être la solution idéale pour recueillir des données dans des environnements difficiles comme la piste d’essai et le laboratoire de durabilité.

Dans le laboratoire, le système d'acquisition de données se connecte à EtherCAT pour fournir au contrôleur Instron des données en temps réel, avec une latence minimale, en parallèle par l’intermédiaire d’Ethernet, et sans aucune limitation de bande passante vers un PC avec logiciel catman. La seule différence entre le système d'acquisition de données utilisé sur la piste d'essai et le système d'acquisition de données utilisé dans le laboratoire de durabilité est le module unique qui connecte le système au réseau avec, à la clé, un processus très simple garantissant l’intégrité des données et leur comparabilité entre les configurations en laboratoire et sur piste d’essai.

Malgré certaines difficultés initiales portant, notamment, sur le mode d’utilisation du nouveau matériel et du nouveau logiciel d’acquisition de données et de contrôle des agitateurs, HBK s'est avéré être le partenaire idéal. HBK est une des rares entreprises à proposer un enregistreur mobile pouvant fonctionner tout aussi bien en laboratoire.

QuantumX, version non motorisée de SomatXR, a présenté en 2008 l’intégration EtherCAT en temps réel. SomatXR propose le Twin Signal Path, comme QuantumX. Toutes les entrées créent 2 voies de signaux numériques, en raison des limitations de bande passante d’EtherCAT et pour permettre aux utilisateurs de continuer à travailler avec le logiciel catman pour l'acquisition des données et l'analyse de l'intégrité structurelle de l'échantillon d'essai :

-        1er signal sortie en temps réel à faible latence orienté avec un temps de boucle de 1 ms

-        2e signal acquisition et d’analyse de données à grande vitesse et horodatées sur PC, avec une vitesse pouvant aller jusqu’à 100 kS/s par signal selon le type de module.

De la piste d’essai au laboratoire d’essai

Pour effectuer des essais de durabilité réalistes en laboratoire, DTNA s’appuie sur des données issues du monde réel, et plus précisément de ses High Desert Proving Grounds à Madras, Oregon. Achevé en 2017, le High Desert Proving Ground s'étend sur 87 acres et comprend une piste d'essai de 3,5 miles avec des surfaces hautement sophistiquées qui permettent aux ingénieurs de DTNA de simuler presque tous les types de conditions que leurs véhicules rencontreront presque partout dans le monde. La piste est une topographie en 3D de l'état des routes, résultant d’un échantillon de Daimler conduisant sur les routes européennes, et dont la finalité est de créer un profil routier fidèle à la réalité et applicable aux deux sites de production situés en Allemagne et en Oregon.

Sur la piste d’essai, un véhicule d’essai est équipé d’une série de capteurs, et notamment :

  • Accéléromètres (DC, MEMS de type : 50 g, 0 … 2000 Hz)
  • Pont / jauges de contrainte (350 Ohm, dans une configuration de ¼ de pont, ½ et plein pont de cellules de charge propres)
  • Transducteurs de force de roue (6 x WFT à partir de la tension analogique MTS SWIFT ou de Kistler RoaDyn sur CAN)
  • Capteurs de déplacement (LVDT, pots de chaîne)
  • Tension (déplacement avec effet Hall, brassage amateur, etc.)

Bien que le nombre de canaux varie en fonction du type de véhicule, le nombre minimum de capteurs que DTNA fixe sur un véhicule est de sept ; pour commander un agitateur, il faut autant de canaux enregistrés que le nombre d'actionneurs utilisés lors de l’essai de durabilité en laboratoire. Il existe, pour cette application, quatre actionneurs verticaux, deux actionneurs longitudinaux et un actionneur avant/arrière.

Lors de l’essai sur route, DTNA collecte habituellement des données de 48 capteurs différents. Plus DTNA collecte de données et plus la simulation dans le laboratoire à agitation sera réaliste. L’équipement d’acquisition de données SomatXR collecte des données de ces canaux pendant qu’un pilote d’essai pilote le véhicule sur la piste d’essai. Cette phase dure environ deux semaines.

Using GlyphWorks and nCode Automation for Data Analysis, Storage and Report

Once the test data has been collected, Griffin and his team use GlyphWorks to analyze the data. GlyphWorks is a data processing system offered by HBK that contains a comprehensive set of standard and specialized tools performing durability analysis. Designed to handle huge amounts of data, GlyphWorks provides a graphical user interface designed to allow users to visualize, analyze, and manipulate test data, saving users both time and money.

One of the things DTNA does with GlyphWorks is find the most significant parts of the road test data and edit out the data collected when the test vehicle was rolling over smooth road. Analysts also parts of the track data that can’t be simulated on the shaker. By concentrating on only the most applicable data, the lab tests can be run in much shorter time than durability tests on the test track.

Une fois les données d’essai collectées, Joe Griffin et son équipe utilisent GlyphWorks pour les analyser. GlyphWorks est un système de traitement des données proposé par HBK qui contient un ensemble complet d'outils standard et spécialisés effectuant des analyses de durabilité. Conçu pour traiter d'énormes quantités de données, GlyphWorks offre une interface utilisateur graphique conçue pour permettre aux utilisateurs de visualiser, d'analyser et de manipuler les données d’essai et, par la même occasion, de gagner du temps et de l’argent.

DTNA utilise GlyphWorks pour, notamment, trouver les parties les plus significatives des données d’essai routier, et supprimer les données recueillies lorsque le véhicule d’essai circulait sur une route lisse. Les analyses portent aussi sur des parties de données de la piste qui ne peuvent être simulées sur l’agitateur. Les essais en laboratoire se focalisent exclusivement sur les données les plus applicables et peuvent donc être effectués bien plus rapidement que les essais de durabilité sur la piste d’essai.

Une fois que les données des essais routiers ont été « rognées », les ingénieurs utilisent GlyphWorks pour calculer la fonction de transfert du système et le fichier d'entraînement initial. Le fichier d’entraînement contient les données fournies au contrôleur Instron, lequel contrôle les agitateurs du laboratoire.

L’étape suivante consiste à raffiner le fichier d’entraînement. GlyphWorks utilise à cet effet un assemblage comme une cabine de camion, avec des capteurs dans les mêmes positions que le véhicule d’essai sur la piste d’essai. L’entreprise transmet ensuite le fichier d’entraînement au contrôleur Instron, l’exécute et mesure les données de réponse à chaque emplacement de capteur.

En utilisant une fois de plus Glyphon, GlyphWorks compare les données qu’elle vient d’acquérir avec celles obtenues sur la piste d’essai. S’il existe une différence significative entre les données de la piste d’essai et celles du laboratoire d’essai, GlyphWorks calcule un nouveau fichier d’entraînement en utilisant le montant correspondant à l’erreur entre les deux lots de données. Ce processus est répété jusqu’à ce que l’erreur entre les données du laboratoire d’essai et celles de la piste d’essai soit convertie en une valeur raisonnable. Il faut, de manière générale, compter entre huit et douze itérations avant que les ingénieurs soient persuadés que le fichier d’entraînement garantira un essai rigoureux.

La valeur raisonnable est basée sur le jugement des ingénieurs d’essai de durabilité de Daimler, qui comprennent les différences entre le véhicule complet et le châssis. Ce jugement repose sur le mélange, par le logiciel Instron TWR, de calculs d’erreur RMS et de pseudo-dégâts sur les transducteurs, avec une interception et une pente fixes. Les ingénieurs utilisent également les comparaisons de franchissement de niveau pour juger si le bon nombre de passages à zéro s'est produit pendant le test, et quels niveaux d'amplitude sont capturés. Cela dépend de la finalité de l’essai – un simple essai sur le capot est traité différemment d'un essai sur le cadre du châssis.

Les ingénieurs sont, à ce stade, prêts à effectuer des essais de durabilité en utilisant le fichier d’entraînement final. Une fois qu’un essai a été effectué, ils utiliseront à nouveau GlyphWorks pour analyser les données d’essai. Et une fois que les données sont prêtes à être archivées, ils utilisent nCode Automation, un environnement basé Web destiné à stocker et rapporter automatiquement des données d’ingénierie. nCode Automation fait également partie de la gamme de produits HBK : il facilite le stockage et la récupération de données d’essai et facilite le partage de données d’essai avec des ingénieurs de design.

"I Love This Job"

Some engineers are just naturally “truck guys.” Joe Griffin is one of those guys. His father was an engineer for Daimler Trucks, and his mother worked there, too, in several different positions. So, as a kid, he heard stories about the company and the work there.

After high school, Joe attended the University of Portland to pursue a degree in Mechanical Engineering. In 2014, he was an intern in the shaker lab, and in 2015, he earned his bachelor’s degree and joined Daimler full-time. One of his first assignments was to drive trucks around the country, gathering data that would help Daimler build a better test track.

When the durability test lab was upgraded in 2016, he was in the right place at the right time. As a recent graduate, he embraced the new technology, and his bosses relied on him to help bring the new systems online.

When you talk to Joe, you get the feeling that he’s the right guy for the job. He has a passion for trucks and for making them the best they can be. “I love this job!” he exclaims.

EtherCAT synchronise les connexions et réduit les coûts

L’intégration Ethercat SomatXR a permis à DTNA

  • de comprimer les dépenses en utilisant une seule solution sur piste, en laboratoire et sur banc.
  • d'obtenir des données analogiques de grande qualité et une solution fiable qui peut évoluer librement.
  • de réduire les dépenses et gagner de la place en optant pour une technologie entièrement numérique utilisant moins de matériel et composants (simplicité).
  • de gagner du temps et comprimer les dépenses en réduisant d’au moins 60 % la complexité et le temps d’installation grâce à une intégration automatique « plug and play » dans INSTRON, sans production ni lecture de fichier intermédiaire (ESI)

En savoir plus sur EtherCAT

Conclusion

En ce qui concerne Daimler, la mise à niveau du laboratoire d’essai a vraiment porté ses fruits et Joe Griffin attribue une bonne partie de son succès à sa décision de « passer au numérique ». Joe Griffin entend par là le choix d’EtherCAT – abréviation d’Ethernet for Control Automation Technology – de connecter les systèmes d’acquisition de données de Daimler aux stands d’essai en laboratoire et à son infrastructure informatique. EtherCAT est une technologie offrant aux utilisateurs des temps de cycle courts et une synchronisation horodatée entre les nœuds d'un réseau EtherCAT.

Malgré certaines difficultés initiales, le passage au numérique s’est avéré être la bonne solution. Le système SomatXR data acquisition fonctionne très bien avec les stands d’essai Instron. « Il s’agit dans l’ensemble d’un système « plug and play » », a déclaré Joe Griffin.

Grâce à ce nouvel équipement, le groupe de Joe Griffin a réduit le temps de préparation des essais de 60 pour cent, passant de 12 heures à 5 heures. Au lieu d'utiliser de longs câbles de capteurs analogiques entre la pièce à tester et le contrôleur, les capteurs sont connectés à un système embarqué SomatXR data acquisition, qui se connecte ensuite au contrôleur par l’intermédiaire d’EtherCAT. Cela permet de réduire le temps de câblage, mais aussi d’éliminer le temps passé à réparer les problèmes de bruit analogique, et à trouver et éradiquer les boucles de sol dans le câblage analogique. Remarquez que le signal numérique est insensible au bruit, car il passe par un filtre analogique intégré qui numérise ensuite les données immédiatement dans l'amplificateur.

Joe Griffin attribue également au logiciel catman de SomatXR le mérite d'avoir permis de gagner du temps de préparation et d'améliorer la qualité des données. Et l’intéressé de souligner :

« Le logiciel catman nous guide à travers l’installation de manière conviviale. Nous apprécions le fait qu'il vérifie les canaux en cas de défaillance des capteurs ou câbles, et que l'acquisition, l'analyse et la préparation des données brutes nous aident à passer plus rapidement de l'idée au résultat. »

Un autre avantage est que les données de mesure acquises sont bien meilleures que celles obtenues précédemment par Daimler. Toujours selon Joe Griffin :

 « L'amélioration des données permet à notre client interne – Mechanical Engineering (Génie mécanique) – de mieux comprendre comment améliorer et optimiser ses designs. »

Le résultat final : des camions plus fiables avec coûts d’essai réduits et des délais de commercialisation plus courts.

À propos de DTNA

Daimler Trucks North America est le premier constructeur de véhicules commerciaux en Amérique du Nord. Basée à Portland, Oregon, DTNA produit des véhicules commerciaux sous les noms de marques Freightliner, Western Star et Thomas Built Buses. Le portefeuille de marques distinctives de DTNA couvre un tas d’industries et d’applications de véhicules commerciaux. La société est également un des principaux fournisseurs de moteurs diesel et composants pour poids lourds et moyens.

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