Nuove possibilità applicative per l'innovativa misurazione della coppia sui banchi prova - con il PMX

Durante la progettazione dei nuovi banchi prova per uso in ambito industriale, la misurazione della coppia, velocità rotazionale, angolo di rotazione e delle grandezze derivate da queste variabili, giocano un ruolo sempre più importante. Oltre alle maggiori esigenze di accuratezza e velocità, gli ulteriori criteri determinanti per la scelta delle migliori soluzioni sono quelli riguardanti l'automazione e l'esercizio efficiente. Come è possibile raggiungere tali obiettivi?

Questo articolo prende in considerazione i più importanti fattori di successo:

  1. Quali sono i requisiti necessari per i banchi prova innovativi?
  2. Come dovrebbero essere progettati i torsiometri?
  3. Cosa fare per migliorare ulteriormente le prestazioni di misurazione della coppia?
  4. Quali caratteristiche prestazionali dovrebbe possedere il sistema di acquisizione ed automazione dati?
  5. Quale concetto del compito di automazione dovrebbe essere scelto – tecnologia di misura basata sui bus di campo (fieldbus)?
  6. Quali sono le caratteristiche del concetto di servizi?

1. Quali sono i requisiti necessari per i banchi prova innovativi?

Il principale obiettivo, a livello politico ed economico, riguarda lo sviluppo delle normative per la prossima generazione di veicoli a combustione più efficienti, rivolto particolarmente alle flotte di automezzi da medi a pesanti. Ciò contribuirà alla sicurezza energetica ed alla riduzione dell'inquinamento da CO2, diminuendo i costi e stimolando l'innovazione della produzione. I costruttori di motori e di trasmissioni affronteranno perciò una vera e propria sfida per migliorare le prestazioni dei motori attuali e futuri, al fine di soddisfare le norme, combattere la concorrenza ed esaudire le aspettative dei clienti.

Uno dei fattori di successo odierni è la risposta fulminea alle necessità di mercato con prodotti nuovi, che siano tuttavia già maturi. I produttori devono reagire riducendo tempi di sviluppo ed adottando metodi di prova efficienti e flessibili. Ciò richiede la separazione organizzativa in termini di tempo per la preparazione e la conduzione delle prove, consentendo il miglioramento dell'efficienza di un fattore 10. L'efficienza energetica è un tema importante per l'industria automobilistica ed aeronautica, la cui attenzione si sposta sempre maggiormente verso lo sviluppo del motore, la resistenza al rotolamento e l'efficienza della conversione dell'energia.

Innanzi tutto, deve essere possibile realizzare rapidamente le strutture di prova. Ciò si può ottenere grazie ai sensori intelligenti ed ai sistemi di amplificatori di misura in grado di comunicare fra loro scambiandosi i dati di configurazione, ad esempio utilizzando l'identificazione dei dati del sensore TEDS. Presupposto essenziale per quanto detto è l'alta qualità e l'elevata  accuratezza dei valori di misura. I torsiometri a flangia HBM delle serie T10, T12 e T40 soddisfano entrambi questi presupposti – alta accuratezza combinata all'alta dinamica e velocità di rotazione.

Inoltre, l'amplificatore di misura ed il sistema di controllo devono essere in grado di elaborare ulteriormente i dati di misura in tempo reale, in modo da poter controllare il banco prova. È poi indispensabile rendere disponibili i dati di misura con alta risoluzione, per analizzarli e salvarli. Per conseguire un effettivo guadagno di efficienza, tutte queste funzioni devono essere combinate in un unico strumento. Il sistema di amplificatori di misura PMX® è stato sviluppato dalla HBM basandosi su tali requisiti. Esso può essere impiegato sia in laboratorio che sul campo di prova e può essere utilizzato come sistema di misura ed automazione anche nell'ambito della produzione. Ciò è reso possibile dalla flessibile inserzione di canali di misura e di uscita. A seconda del livello di automazione, si possono usare in tempo reale interfacce analogiche od Ethernet, basate sui bus di campo (fieldbus).

È esattamente questa flessibilità hardware, combinata alla possibilità di registrare i dati alla massima cadenza e risoluzione, che consente agli utenti un'ulteriore guadagno di efficienza fino ad un fattore 30.

Torsiometri della HBM
PMX - Amplificatore di misura modulare e sistema di automazione della HBM

2. Come dovrebbero essere progettati i torsiometri?

Per soddisfare le elevate esigenze delle prove funzionali, i moderni torsiometri HBM delle serie T10, T12 e T40 devono operare con dati digitalizzati ed elevate cadenze di campionamento. Oltre a quello della coppia, i segnali di uscita comprendono la velocità rotazionale e l'angolo di rotazione. Questi segnali sono importanti per calcolare le grandezze derivate quali la potenza e l'efficienza della conversione energetica nel susseguente sistema di automazione PMX® della HBM. Per garantire la trasmissione esente da rumore, i segnali di misura vengono convertiti in segnali di frequenza. Ciò è indispensabile per le avverse condizioni ambientali che si possono spesso incontrare, poiché i campi elettromagnetici dei grandi motori o degli gli invertitori di frequenza non devono influenzare negativamente la qualità di misura. Le più importanti proprietà metrologiche dei torsiometri comprendono:

  • Classe di accuratezza 
  • Tolleranza della sensibilità 
  • Stabilità alla temperatura 
  • Deviazione della linearità ed isteresi 

Per lo sviluppo dei torsiometri HBM fu posta particolare attenzione alla qualità e conformità dei dati operativi.

Ciò nonostante, l'utente dovrebbe prendere in considerazione gli ambienti di applicazione ed i limiti di carico:

  • Limiti della velocità rotazionale
  • Larghezza della banda di vibrazione ammessa
  • Limiti delle forze trasversali e longitudinali 
  • Massimi limiti di temperatura

3. Cosa fare per migliorare ulteriormente le prestazioni di misurazione della coppia?

I segnali di misura dei torsiometri vengono acquisiti dal modulo-inserto PX460 del PMX. Esso opera con accuratezza dello 0,01 % e consente di collegare fino a quattro torsiometri delle serie T10, T12 o T40, anche misti. Per ottimizzare ulteriormente i dati di misura, il sistema di amplificatori di misura PMX® comprende un'intera serie di canali di calcolo interni, specificamente concepiti per l'impiego coi torsiometri. Essi funzionano in tempo reale esattamente come i canali di misura, con una cadenza di calcolo di 50 microsecondi

Ad esempio, il calcolo comprende 21 punti di linearizzazione della curva caratteristica del trasduttore per i torsiometri. Il risultato è il superamento dell'accuratezza specificata nei dati tecnici del PMX® per il segnale grezzo del sensore. Il segnale di misura migliorato può essere ulteriormente elaborato, incrementando così la qualità di misura del banco prova.

Altre modalità di scalatura sono l'uso dei polinomi e delle pendenze rettilinee. Specialmente l'impiego dei polinomi consente un miglioramento del fattore 10, poiché essi rappresentano nuovamente la caratteristica del sensore, ma significativamente più accurata. I coefficienti dei polinomi dei sensori vengono determinati già durante la produzione e la conseguente taratura dei trasduttori. Poiché qui sono necessari solo polinomi di 3° ordine, diventa molto semplice la successiva parametrizzazione dei canali di misura del PMX e si evitano assegnazioni errate. 

Per affinare ulteriormente l'accuratezza accessibile del torsiometro, si può usare un impianto di taratura per rilevare il comportamento del sensore soggetto a diversi casi di caricamento. Questi casi di carico comprendono da un canto la rotazione dinamica in senso orario ed antiorario e, dall'altro, oltre al campo di misura del 100 % anche la misurazione altamente accurata di campi parziali. Ad esempio, ciò è necessario per rilevare la coppia di rottura residua. A tale scopo, queste differenti applicazioni vengono misurate durante la taratura del sensore e determinano le corrispondenti cure caratteristiche secondo la DIN 51309 o VDI / VDE 2646, oltre ad essere registrate nel protocollo di taratura. Tali caratteristiche possono poi essere salvate nel PMX® ed utilizzate nelle prove a seconda dell'applicazione. Dai parametri di misura correnti il PMX® riconosce di quale applicazione si tratta e commuta automaticamente su una delle quattro caratteristiche predefinite del sensore. 

Un'altra importante funzione è l'elaborazione parallela ed indipendente dei valori di misura grezzi, ad esempio per la filtratura. Ciò rende possibile l'adattamento dei segnali per la regolazione ed automazione del banco prova. È questa combinazione di uscite analogiche e/o bus di campo Ethernet in tempo reale del PMX® che rende possibile implementare l'efficiente automazione del banco prova.

Filtri speciali per provare i motori a combustione: a causa del ciclo operativo con la compressione ed espansione nei singoli cilindri e la corrispondente fluttuazione della combustione, la coppia generata da un motore ha un comportamento altamente dinamico. In molti sistemi di misura questo appare come "rumore" (o rapide variazioni). Ciò può essere eliminato utilizzando un filtro CASMA (filtro che opera angolarsincronicamente).

Il diagramma soprastante mostra il risultato dell'implementazione di questo filtro CASMA. Si vede chiaramente che con il filtro si ottiene un eccellente stabilizzazione delle misurazioni della coppia in correlazione alla velocità del motore, la quale cambia anche nel corso del tempo. Quanto è maggiore è l'ampiezza di questo filtro, tanto migliori sono i risultati.

Le funzioni addizionali comprendono la rilevazione dei valori di picco o dei valori medi dei segnali di misura per determinare e documentare i limiti della prova. Questi valori di controllo possono essere monitorati a turno con i valori limite o bande di tolleranza in tempo reale, rendendo possibile il controllo del banco prova. 

Se disponibili, i valori grezzi di misura della coppia e della velocità possono essere usati per calcolare e trasmettere in tempo reale all'applicazione le istruzioni istantanee mediante le uscite dei canali di calcolo matematico. Per correggere le differenze addizionali dei segnali di misura si possono utilizzare gli elementi di temporizzazione collegabili. Queste differenze possono capitare nei casi di carico ad alte prestazioni e potrebbero avere effetti negativi sui risultati di misura.

Segnali di prova: il PMX fornisce all'utente la comoda opzione di simulare i segnali e gli stati del sistema per verificare le capacità funzionali, già durante l'avviamento senza la necessità di mettere in funzione completamente il banco prova. Ciò può essere effettuato dal lato sensori attivando i "segnali shunt". Il torsiometro genera il 50 % del suo segnale nominale ed il funzionamento può essere provato con un "giro a secco". Il PMX possiede anche un generatore di segnali interno utilizzabile per simulare staticamente e dinamicamente le sequenze di prova.

4. Quali caratteristiche prestazionali dovrebbe possedere il sistema di acquisizione ed automazione dati - tecnologia di misura basata sul bus di campo?

La gamma di segnali di misura da acquisire è molto estesa: dai semplici segnali rilevati a bassa frequenza (ad esempio valori di temperatura lentamente variabili) ai complessi dati misurati simultaneamente ad alta cadenza di acquisizione, ad esempio segnali di coppia con angolo di rotazione e velocità rotazionale che devono essere rilevati contemporaneamente. Qui i fattori decisivi sono non solo i sensori robusti e precisi, ma anche un'altrettanta robusta e precisa acquisizione dei dati. Ambedue dovrebbero avere la medesima classe di precisione di almeno lo 0,1 % o, meglio, dello 0.01 %. La cadenza di campionamento dei segnali è tanto importante quanto l'accuratezza di misura. Essa dovrebbe essere abbastanza elevata da risolvere e visualizzare affidabilmente sia le variazioni rapide che i piccoli cambiamenti parziali. Per essere in grado di coprire l'acquisizione dei valori di picco, la velocità di calcolo e la qualità della regolazione, tutti i canali di misura e di calcolo devono essere campionati in parallelo ad almeno 20 kHz, il che equivale al tempo di misura e calcolo di 50 microsecondi. Nell'ambito delle misurazioni della coppia, il PMX dispone della scheda-inserto PX460 che opera a 38,4 kHz per avvantaggiarsi completamente della banda passante dei segnali di misura dei torsiometri. 

Oltre all'elaborazione dei dati, già nella configurazione standard l'utente ha anche accesso alle ampie informazioni diagnostiche. Grazie alla sua struttura hardware in tempo reale, il PMX supporta cicli del bus tanto bassi quanto ≤ 10 kHz con le sue interfacce Ethernet in tempo reale, minimizzando così anche la latenza di trasferimento dei messaggi.

A seconda dell'automazione dell'applicazione, si può scegliere fra le seguenti interfacce Ethernet: 

  • EtherCAT
  • PROFINET (protocollo IRT)
  • Ethernet/IP

Oltre alla generazione di segnali di misura e controllo, questi bus di campo possono anche operare in parallelo nel PMX. Perciò PMX funziona come "slave" insieme al Master di controllo nei banchi prova. In tal modo il sistema è in grado di fornire le necessarie prestazioni dinamiche per implementare la simulazione di azionamenti e cicli di carico altamente dinamici. 

5. Quale concetto del compito di automazione dovrebbe essere scelto?

In linea di principio si effettua una distinzione fra sistemi basati su PC e sistemi incorpora (embedded). Essa si applica all'acquisizione dei dati di misura, al controllo /regolazione ed anche alla visualizzazione. Se per la regolazione è richiesto un tempo reale ultra preciso (deterministico), è meglio usare i sistemi incorporati; l'entità dei dati coinvolti è alquanto bassa, ma molto tempo-critica.  

La regolazione in tempo reale hard non può essere effettuata nei sistemi basati su PC, poiché le risorse vengono distribuite uniformemente su tutti i componenti e, in molti casi, i compiti di controllo devono restare in "attesa" prima di poter essere eseguiti. I cicli temporali sono pertanto di 50 ms od oltre, il che non è assolutamente adeguato per regolazioni rapide ed affidabili dei banchi prova.

In tal caso, i sistemi incorporati (embedded) mostrano tutta la loro potenza, poiché riservano tutte le loro forze per i compiti di regolazione mediante la CPU interna. Lo stesso avviene per le soluzioni PLC soft integrate nei sistemi di misura. A tal scopo, il PMX può essere equipaggiato con soluzioni PLC soft CODESYS, le quali rendono possibile il controllo dell'intera sequenza di prova.

Oggidì, per i sistemi di visualizzazione vengono sempre più utilizzate le nuove tecnologie basate sul Web. Esse hanno l'imbattibile vantaggio di abbisognare solo di un web browser moderno ed essere disponibili su tutti i moderni strumenti terminali. Quest'ultimi comprendono i PC, i tablet ed anche gli smart phone. La mobilità di questi dispositivi, e perciò la loro disponibilità, è sempre maggiormente apprezzata non solo dagli utenti, ma anche dal personale della manutenzione. Un altro vantaggio è che su questi strumenti terminali non occorre installare software aggiuntivo; è sempre presente un browser.

Funzionamento e visualizzazione basati sul Web

Si devono nuovamente fare due distinzioni per il salvataggio dei dati nei banchi prova. Se essi devono essere registrati e salvati soltanto i dati finali delle prove, ciò può avvenire tramite i sistemi incorporati. Tuttavia, se devono essere salvate grandi quantità di dati grezzi, i sistemi con PC offrono innegabili vantaggi, poiché consentono di sfruttare le loro opzioni di salvataggio, quali i dischi rigidi.

In questo caso il software DAQ può registrare i dati sul PC in parallelo alle operazioni di misura e controllo. La larghezza di banda spazia dal software standard pronto all'uso predisposto per tali tipi di compiti, fino alle soluzioni speciali per queste applicazioni mediante driver software ed API (Application Programming Interface - Interfaccia di Programmazione Applicazioni).

Anche la documentazione dei risultati delle prove può essere implementata in vari modi. I sistemi con PC possono facilmente salvare individualmente i dati e, se necessario, trasmetterli ad una stampante PDF. Tuttavia perdura la tendenza verso la documentazione orientata alle banche dati (data base), per cui i risultati ed i dati di misura vengono trasferiti ed archiviati in grandi banche dati. Poi si possono generare i rapporti e relazioni desiderati mediante richieste (query) ed istruzioni descriventi lo stato, l'utilizzo della capacità oppure la qualità dei componenti che possono essere generati. 

6. Quali sono le caratteristiche del concetto di servizi?

I servizi (service) possono essere categorizzati come "assistenza in loco" od "assistenza remota". I sistemi di misura e controllo devono supportare attivamente il personale "in loco" durante la messa in funzione e la manutenzione. Ciò significa che deve essere possibile richiedere lo stato dei valori misurati e della strumentazione ed ottenere le informazioni desiderate direttamente tramite indicatori (quali i LED degli strumenti) od utilizzando un menu del web browser. Anche i file log (di registro) rendono facile la registrazione e la richiesta di tutti gli errori e dettagli operativi delle apparecchiature. Ciò è specialmente di aiuto nel caso di errori od effetti sporadici. Un'altra possibilità consiste nel rendere disponibili i "segnali di monitoraggio". Essi sono segnali di tensione interconnessi ai segnali di misura od ai canali di calcolo a scopo di monitoraggio e controllo. Poi possono essere effettuate semplici misurazioni effettuate sul posto a cura dei tecnici dell'assistenza. I file di registro (log) vengono salvati a prova di caduta della tensione di rete nella strumentazione e, a scopo di documentazione, possono essere scaricati ed archiviati mediante il web browser. 

Servizi efficienti grazie alle funzioni di diagnostica integrate ed alla memoria errori

Conclusioni

I moderni e potenti torsiometri come quelli delle serie T10, T12 e T40 HBM, combinati con i sistemi aventi interfacce di comunicazione incorporate, come la piattaforma di amplificatori PMX® della HBM, sono perfetti per l'impiego nelle misurazioni di alta qualità e nei compiti di regolazione. 

L'osservazione della tendenza generale indica che i sistemi con tecnologia di misura convenzionale da un lato, e le soluzioni di automazione dall'altro, si avvicinano sempre di più. Oltre al controllo delle sequenze di misura stesse, questi tipi di sistemi moderni possono controllare anche i macchinari ed implementano gli attuali banchi prova con uno sguardo rivolto al futuro.

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