Daimler Trucks North America (DTNA) Daimler Trucks North America (DTNA) | HBM

HBK ajuda a Daimler Trucks a garantir integridade estrutural

Daimler Trucks North America (DTNA) é o fabricante líder de caminhões pesados na América do Norte. Com sede em Portland, Oregon, a DTNA produz veículos comerciais com as placas de identificação Freightliner, Western Star e Thomas Built Buses.

Os clientes contam com caminhões Daimler, como o novo Western Star 49X, para fazer o trabalho e manter seus negócios funcionando sem problemas. Eles precisam de veículos confiáveis que possam resistir a centenas de milhares de quilômetros na estrada. Para atender às necessidades desses clientes exigentes e oferecer durabilidade de longo prazo, tempo de atividade máximo, conforto e segurança do operador, a DTNA testa seus caminhões no laboratório, na pista de teste e na estrada.

Problema

A Daimler Trucks North America precisava desenvolver uma solução que reúna dados de teste de campo e dados de teste de laboratório para garantir que os testes de laboratório simulem as condições do mundo real, garantindo assim a confiabilidade dos produtos DTNA. E encontre uma maneira de reduzir drasticamente o tempo de configuração do teste, ao mesmo tempo em que produz resultados de teste altamente confiáveis e repetíveis.

Solução

Griffin selecionou sensor, hardware e software da Hottinger Brüel & Kjær (HBK), incluindo automação para gerenciamento de dados e colaboração, GlyphWorks para análise de dados e aquisição de dados SomatXR com software catman.

Resultados

Com o novo equipamento, o grupo reduziu o tempo de preparação do teste em 60 por cento, de 12 para 5 horas. Os sensores são conectados a um sistema de aquisição de dados SomatXR integrado, que então se conecta ao controlador via EtherCAT. Isso não apenas reduz o tempo de cabeamento, mas elimina o tempo gasto na solução de problemas de ruído analógico e na localização e eliminação de loops de aterramento no cabeamento analógico. 

O desafio de aquisição de dados

Essa abordagem abrangente de teste representou um problema específico para Joe Griffin, engenheiro de teste do Laboratório de Shaker da Engenharia de Validação de Produto (PVE) em Portland. Como engenheiro de teste no laboratório de teste de durabilidade estrutural, seu trabalho era desenvolver uma solução que reúne dados de teste de campo e dados de teste de laboratório para garantir que os testes de laboratório simulem as condições do mundo real, garantindo assim a confiabilidade dos produtos DTNA. Para conseguir isso, Griffin selecionou sensor, hardware e software da Hottinger Brüel & Kjær (HBK), incluindo:

  • Automação para gerenciamento de dados e colaboração
  • GlyphWorks para análise de dados
  • Aquisição de dados SomatXR com software catman

Além de garantir que os testes de laboratório simulem com precisão as condições das estradas do mundo real, Griffin também foi encarregado de otimizar a maneira como o DTNA executa os testes no laboratório de teste de durabilidade estrutural. Ele precisava encontrar uma maneira de reduzir drasticamente o tempo de configuração do teste, ao mesmo tempo em que produzia resultados de teste altamente confiáveis e repetíveis.

Em 2016, a DTNA atualizou seu laboratório ao adquirir os controladores de agitador Instron Labtronic 8800ML. Uma das razões pelas quais a equipe escolheu o controlador Instron foi porque ele permitiu que conectassem o hardware de aquisição de dados ao controlador por meio de um barramento em tempo real baseado em Ethernet chamado EtherCAT ™.

EtherCAT

EtherCAT (Tecnologia de Automação de Controle Ethernet) oferece uma conexão de alta largura de banda entre dispositivos (clientes) e o aplicativo mestre ou controlador usando tecnologia de "clock distribuído" que integra e sincroniza todos os dados. EtherCAT estende o padrão Ethernet IEEE 802.3 e permite a transmissão de dados com temporização previsível e sincronização precisa. Os pacotes Ethernet não são mais recebidos, interpretados, processados e copiados primeiro para cada dispositivo em cada conexão. O protocolo EtherCAT continua a transmitir dados diretamente em um quadro Ethernet padrão, sem alterar a estrutura básica.

Os dispositivos do cliente EtherCAT recebem os dados destinados a eles à medida que o quadro passa pelo dispositivo. Da mesma forma, os dados de entrada são inseridos à medida que passam com um deslocamento de apenas alguns nanossegundos. Como os quadros EtherCAT contêm dados de muitos dispositivos operando nos modos de transmissão e recepção, a taxa de dados utilizável aumenta para mais de 90%. Isso permite que as características full duplex de 100BASE-TX sejam totalmente exploradas e taxas de dados efetivas de mais de 100 Mbit / s sejam alcançadas.

No passado, todas as entradas para o controlador do agitador eram linhas de tensão puramente analógicas provenientes da conexão DAC da camada de ponte eDAQ. Os sensores, como o strain gauge usado nas configurações do tipo ponte, foram digitalizados pelo ADC e novamente normalizados para ± 10 V e conectados ao controlador em paralelo, sensor por sensor. Isso consumia muito tempo e estava sujeito a erros. O uso de entradas e saídas analógicas também limitou o número de canais que poderiam ser usados para correlação e comprimento do cabo.

Para reduzir os tempos de configuração - e erros de configuração - o DTNA precisava de um equipamento de aquisição de dados que suportasse a integração mestre EtherCAT da Instron por meio de um único cabo.

ComparaçãoCaminho antigo analógicoNovo caminho digital
190 canais

190 x ADC

Configurar 190 x ADC

190 X ADC

190 X Tensão dos cabos (BNC)

Configurar 190 x DAC

Configurar 190 x ADC

190 x ADC

Configurar 190 ADC (TEDS)

1 cabo X (Ethernet 4 x 2 pares)

Atualização automática EC master

# EtherCAT é uma marca registrada da Beckhoff

HBK entra em ação

Após alguma avaliação, os engenheiros de teste decidiram utilizar a HBK. Uma das razões pelas quais eles escolheram a HBK é que a HBK tem uma vasta experiência no campo da integridade estrutural. Uma segunda razão é que eles já eram usuários da HBK. A DTNA usa os sistemas de aquisição de dados Somat eDAQ há mais de 15 anos e, como resultado, confiou em sua tecnologia de medição e robustez em condições de teste difíceis.

A HBK foi capaz de fornecer exatamente o que eles procuravam. O sistema que o DTNA especificou incluiu as seguintes unidades da nova série SomatXR reforçada com a seguinte configuração de módulo:

  • Gravador de dados robusto CX22B-RW
  • Módulo universal MX840B-R
  • Módulo de ponte MX1615B-R
  • Módulo padrão MX1601B-R
  • CX27C-R EtherCAT Gateway para integração em tempo real com a Instron

Este sistema permite que eles adquiram dados de todos os diferentes tipos de sensores usados em seus testes e provou ser ideal para coletar dados em ambientes adversos, como a pista de teste e o laboratório de durabilidade.

No laboratório, o sistema de aquisição de dados se conecta ao EtherCAT para fornecer dados ao controlador Instron em tempo real com latência mínima e em paralelo via Ethernet e sem quaisquer limitações de largura de banda para um PC executando catman. A única diferença entre o sistema de aquisição de dados usado na pista de teste e o sistema de aquisição de dados usado no laboratório de durabilidade é o único módulo que conecta o sistema à rede, tornando-o um processo muito simples que garante integridade de dados e comparabilidade entre o laboratório e configurações de pista de teste.

Embora houvesse alguns desafios no início, como usar o novo hardware e software de aquisição de dados e controlador de shaker, o HBK provou ser o parceiro perfeito. A HBK é uma das poucas empresas que oferece um gravador móvel que pode operar com a mesma facilidade no laboratório.

QuantumX, o irmão não robusto de SomatXR, introduziu a integração EtherCAT em tempo real em 2008. Como o QuantumX, o SomatXR oferece o Twin Signal Path. Todas as entradas criam 2 caminhos de sinal digital, devido às limitações de largura de banda do EtherCAT e para permitir que os usuários continuem trabalhando com o software catman para aquisição de dados e análise da integridade estrutural do corpo de prova:

- Saída do 1º sinal de baixa latência em tempo real orientada com tempo de loop de 1 ms

- Aquisição e análise de dados baseados em PC com marcação de tempo de alta velocidade do segundo sinal com até 100 kS / s por sinal, dependendo do tipo de módulo

Da pista de teste ao laboratório de teste

Para realizar testes de durabilidade realistas em laboratório, o DTNA depende de dados coletados do mundo real, ou seja, do High Desert Proving Grounds em Madras, Oregon. Concluído em 2017, o High Desert Proving Ground se estende por 87 acres e inclui uma pista de teste de 3,5 milhas com superfícies altamente projetadas que permitem que os engenheiros da DTNA simulem quase qualquer tipo de condição que seus veículos encontrarão em quase qualquer lugar do mundo. A pista é uma topografia 3D das condições da estrada que vem de uma amostra da Daimler dirigindo em estradas europeias para criar um perfil de estrada da vida real a ser aplicado a ambos os terrenos da Alemanha e Oregon.

No campo de provas, um veículo de teste é equipado com uma variedade de sensores, incluindo:

  • Acelerômetros (tipo DC MEMS: 50g, 0 … 2000 Hz)
  • Ponte / strain gauges (350 Ohm, em configuração de ¼ de ponte, células de carga próprias de ½ e ponte completa)
  • Transdutores de força da roda (6 x WFT da tensão analógica MTS SWIFT ou Kistler RoaDyn em CAN)
  • Sensores de deslocamento (LVDT, potes de corda)
  • Tensão (deslocamento de efeito hall, fermentação caseira ...)

Embora o número de canais varie dependendo do tipo de veículo, o número mínimo de sensores que o DTNA conecta a um veículo é sete; para acionar um shaker, você precisa de tantos canais registrados quanto o número de atuadores usados no teste de durabilidade do laboratório. Para esta aplicação, existem quatro atuadores verticais, dois atuadores longitudinais e um atuador anterior / posterior.

Normalmente, o DTNA coleta dados de 48 sensores diferentes durante o teste de estrada. Quanto mais dados eles coletam, mais realista será a simulação no laboratório de shaker. O equipamento de aquisição de dados SomatXR coleta dados desses canais enquanto um piloto de teste pilota o veículo na pista de teste. Essa fase leva cerca de duas semanas para ser concluída.

Usando GlyphWorks e nCode Automation para análise de dados, armazenamento e relatório

Depois que os dados de teste foram coletados, Griffin e sua equipe usam o GlyphWorks para analisar os dados. GlyphWorks é um sistema de processamento de dados oferecido pela HBK que contém um conjunto abrangente de ferramentas padrão e especializadas que realizam análises de durabilidade. Projetado para lidar com grandes quantidades de dados, o GlyphWorks fornece uma interface gráfica de usuário projetada para permitir que os usuários visualizem, analisem e manipulem dados de teste, economizando tempo e dinheiro.

Uma das coisas que o DTNA faz com o GlyphWorks é encontrar as partes mais significativas dos dados de teste de estrada e editar os dados coletados quando o veículo de teste estava rolando em uma estrada lisa. Os analistas também fazem parte dos dados da trilha que não podem ser simulados no shaker. Concentrando-se apenas nos dados mais aplicáveis, os testes de laboratório podem ser executados em um tempo muito mais curto do que os testes de durabilidade na pista de teste.

Depois que os dados de teste foram coletados, Griffin e sua equipe usam o GlyphWorks para analisar os dados. GlyphWorks é um sistema de processamento de dados oferecido pela HBK que contém um conjunto abrangente de ferramentas padrão e especializadas que realizam análises de durabilidade. Projetado para lidar com grandes quantidades de dados, o GlyphWorks fornece uma interface gráfica de usuário projetada para permitir que os usuários visualizem, analisem e manipulem dados de teste, economizando tempo e dinheiro.

Uma das coisas que o DTNA faz com o GlyphWorks é encontrar as partes mais significativas dos dados de teste de estrada e editar os dados coletados quando o veículo de teste estava rolando em uma estrada lisa. Os analistas também partem dos dados da trilha que não podem ser simulados no shaker. Concentrando-se apenas nos dados mais aplicáveis, os testes de laboratório podem ser executados em um tempo muito mais curto do que os testes de durabilidade na pista de teste.

Depois que os dados do teste de estrada foram “cortados”, os engenheiros usam o GlyphWorks para calcular a função de transferência do sistema e calcular o arquivo inicial da unidade. O arquivo da unidade contém os dados fornecidos ao controlador Instron, que controla os shakers no laboratório.

A próxima etapa é refinar o arquivo da unidade. Para fazer isso, eles instrumentam um conjunto, como uma cabine de caminhão, com sensores nas mesmas posições do veículo de teste na pista de teste. Em seguida, eles alimentam o arquivo da unidade para o controlador Instron, executam-no e medem os dados de resposta em cada localização do sensor.

Usando o GlyphWorks novamente, eles comparam os dados que acabaram de adquirir com os dados adquiridos na pista de teste. Se houver uma diferença significativa entre os dados da pista de teste e os dados do laboratório de teste, eles calculam um novo arquivo de unidade, usando a quantidade de erro entre os dois conjuntos de dados. Eles repetem esse processo até que o erro entre os dados do laboratório de teste e os dados da pista de teste seja convertido em um valor razoável. Normalmente, isso leva de oito a doze iterações antes que os engenheiros estejam satisfeitos de que o arquivo da unidade garantirá um teste rigoroso.

O valor razoável é baseado em um julgamento dos engenheiros de teste de durabilidade da Daimler com base na compreensão das diferenças entre o veículo completo e o chassi. Ele se baseia no software Intron TWR para combinar erros RMS e cálculos de pseudo-danos nos transdutores com interceptação e inclinação fixas. Os engenheiros também usam comparações de cruzamentos de nível para julgar se o número correto de cruzamentos de zero ocorreu durante o teste e quais níveis de amplitude são capturados. Isso varia com base na intenção do teste - um teste simples do capô é tratado de maneira diferente do que um teste na estrutura do chassi.

Neste ponto, eles estão prontos para fazer testes de durabilidade usando o arquivo final da unidade. Assim que o teste for executado, eles usarão o GlyphWorks novamente para analisar os dados do teste. E, quando os dados estão prontos para serem arquivados, eles usam o nCode Automation, um ambiente baseado na web para armazenar e relatar dados de engenharia automaticamente. nCode Automation, também parte da família de produtos HBK: não apenas facilita o armazenamento e a recuperação de dados de teste, mas também torna mais fácil compartilhar dados de teste com engenheiros de projeto.

"Eu Amo Este Trabalho"

Alguns engenheiros são naturalmente os “caras do caminhão”. Joe Griffin é um desses caras. Seu pai era engenheiro da Daimler Trucks e sua mãe também trabalhava lá, em vários cargos diferentes. Por isso, quando criança, ouviu histórias sobre a empresa e o trabalho que ela fazia.

Após o colegial, Joe frequentou a Universidade de Portland para obter um diploma em Engenharia Mecânica. Em 2014, ele foi estagiário no laboratório de shaker, e em 2015, ele se formou e se juntou à Daimler em tempo integral. Uma de suas primeiras atribuições foi dirigir caminhões em todo o país, reunindo dados que ajudariam a Daimler a construir uma pista de teste melhor.

Quando o laboratório de teste de durabilidade foi atualizado em 2016, ele estava no lugar certo na hora certa. Como recém-formado, ele adotou a nova tecnologia e seus chefes contaram com ele para ajudar a colocar os novos sistemas online.

Quando você fala com Joe, você tem a sensação de que ele é o cara certo para o trabalho. Ele tem paixão por caminhões e por torná-los o melhor que podem ser. “Eu amo este trabalho!” ele exclama.

EtherCAT sincroniza conexões e corta custos

Integração SomatXR EtherCAT permitida DTNA

  • economize custos usando uma solução apenas em campo, laboratório e bancada.
  • para obter dados analógicos de alta qualidade e uma solução confiável e livremente escalonável
  • para economizar custos e espaço, tornando-se totalmente digital com menos materiais e peças em uso (simplicidade)
  • para economizar tempo e custos reduzindo drasticamente a complexidade e o tempo de configuração em min. 60% com integração automática plug and play no INSTRON sem geração e leitura intermediária de arquivos (ESI)

Mais sobre EtherCAT

Conclusão

A atualização do laboratório de teste realmente valeu a pena para a Daimler, e Griffin atribui muito de seu sucesso à decisão de “entrar na era digital”. Com isso, eles se referem à escolha de EtherCAT - abreviação de Ethernet para Tecnologia de Automação de Controle - para conectar seus sistemas de aquisição de dados às bancadas de teste no laboratório e à sua infraestrutura de TI. EtherCAT é uma tecnologia que fornece aos usuários tempos de ciclo curtos e sincronização com carimbo de hora entre os nós em uma rede EtherCAT.

Apesar de alguns desafios iniciais, tornar-se digital provou ser a coisa certa a se fazer. O sistema de aquisição de dados SomatXR funciona muito bem com os bancos de teste da Instron. “É basicamente plug and play”, disse Griffin.

Com o novo equipamento, o grupo de Griffin reduziu o tempo de configuração do teste em 60 por cento, de 12 para 5 horas. Em vez de usar cabos de sensores analógicos longos da peça de teste ao controlador, os sensores são conectados a um sistema de aquisição de dados SomatXR integrado, que então se conecta ao controlador via EtherCAT. Isso não apenas reduz o tempo de cabeamento, mas elimina o tempo gasto na solução de problemas de ruído analógico e na localização e eliminação de loops de aterramento no cabeamento analógico. Observe que o sinal digital é imune a ruído, uma vez que se move através de um filtro analógico embutido que digitaliza os dados imediatamente no amplificador.

Griffin também dá crédito ao software catman do SomatXR por economizar tempo de configuração e melhorar a qualidade dos dados. Griffin diz:

“catman nos orienta durante a configuração de uma forma amigável. Adoramos que ele verifique os canais em busca de falha de sensor ou cabo, e a aquisição de dados brutos, análise de dados e preparação nos ajudam a ser mais rápidos da ideia ao resultado. ”

Outro benefício é que os dados de medição têm uma qualidade muito superior à que eles conseguiam obter antes. Diz Griffin:

 “Dados aprimorados fornecem ao nosso cliente interno - Engenharia Mecânica - melhores percepções sobre como melhorar e otimizar seus projetos.”

O resultado final: caminhões mais confiáveis com custos de teste mais baixos e menor tempo de colocação no mercado.

Sobre DTNA

A Daimler Trucks North America é o fabricante líder de veículos comerciais na América do Norte. Com sede em Portland, Oregon, a DTNA produz veículos comerciais com as placas de identificação Freightliner, Western Star e Thomas Built Buses. O portfólio DTNA de marcas distintas atende a uma infinidade de indústrias e aplicações de veículos comerciais. A empresa também é fornecedora líder de motores e componentes a diesel para serviços pesados e médios.