Control de Brazo de Pinzas de un Robot de 70 Toneladas para la Construcción de Turbina Eólica en Alta Mar Usando LabVIEW y CompactRIO

"La combinación de LabVIEW y CompactRIO proporcionó la potencia de cómputo requerida por nuestros cálculos cinéticos y de control de bajo nivel, así como el determinismo y la fiabilidad requeridos por nuestra lógica operacional."

- Pawel Majecki, Industrial Systems and Control

El Reto::

Crear un sistema intuitivo y confiable para implementar, posicionar y guardar pinzas de robot hidráulicas usadas para guiar pilotes de acero para la construcción de parques eólicos en alta mar.

La Solución:

Desarrollar un sistema de control integrado que utiliza un sistema CompactRIO y software LabVIEW para realizar adquisición de datos en tiempo real, monitoreo y un algoritmo de control de posición.

 

La construcción de parques eólicos en alta mar implica pilotes de acero de gran diámetro y de 65 metros de largo en el fondo del mar. Embarcaciones especializadas alojan grúas que elevan y bajan los pilotes en el agua antes de fijarlas en el fondo del mar a profundidades de hasta 40 metros. Los pilotes después sirven como la base para instalar torres de turbinas eólicas. Mantener los pilotes verticales al guiarlos con un martillo hidráulico implica un reto importante, especialmente en la presencia de grandes olas y corrientes. Una vez situada, corregir las imperfecciones de posición del pilote es extremadamente costoso y requiere extraerlo completamente y volver a colocarlo. Las tarifas diarias para contratar válvulas de instalación son un cuantioso costo para la industria, por lo que reducir las demoras es un factor clave para el mejoramiento técnico.

 

La solución para este problema es una herramienta como guía de la colocación de los Pilotes (“Pile Gripper Arms” or PGA) (Figura 1). El brazo de pinza del robot sujeta el pilote y mantiene la posición vertical del mismo, mientras que es guiado. Houlder Ltd desarrolló el concepto de pinza de robot y el diseño mecánico, con el soporte y la participación del manejo de válvula MPIV y MPI en alta mar, para la embarcación MPI Discovery.

 

Después de la exitosa implementación de un sistema hidráulico de acceso de turbina de movimiento compensado, ISC participó desde el comienzo en este proyecto. Inicialmente, usamos simulaciones dinámicas para investigar el efecto por usar control de retroalimentación en paralelo con válvulas hidráulicas de contrapeso, las cuales son un recurso potencial para problemas de control y para examinar la factible precisión en posición. Usamos software LabVIEW y el Módulo LabVIEW Real-Time, el Módulo LabVIEW FPGA, el Módulo LabVIEW MathScript RT y el Módulo LabVIEW Touch Panel para implementar el software de control. Antes de conectar al sistema actual, probamos detalladamente la funcionalidad del algoritmo usando un emulador de software detallado.

 

Después, pusimos en marcha y realizamos pruebas usando las partes disponibles del sistema real, y simulamos las piezas que no estaban presentes y exploramos el rendimiento de los lazos de control de cilindro individual, así como el movimiento de X-Y. Debido al gran tamaño de los componentes mecánicos, no logramos ensamblar completamente las pinzas de robot en la fábrica, así que visualizamos de manera virtual el comportamiento esperado a través del emulador. Seguimos con la instalación y las pruebas en la embarcación, con exitosas pruebas en alta mar después de eso.

 

Brazo de Pinza de un Robot para sujetar Pilotes

Los brazos de pinzas de robot son guiados de manera hidráulica, estas ayudaron con la manipulación de grandes pilotes que pesaban más de 700 toneladas, con 75 metros de largo y 7 metros de diámetro.

 

Los tres cilindros hidráulicos principales activaron cada pinza de robot. Un cilindró elevó y bajo desde la posición almacenaje (vertical) y los otros dos proporcionaron el movimiento en el plano X-Y. Logramos guiar las pinzas de manera individual y sincronizarlas para ajustar la inclinación vertical de la pila.

 

Es crítico que el sistema de control impida que las mordazas aplasten la pinza, por lo que en todo momento debe contemplarse una restricción mínima de espacio. El reto adicional consiste en el tamaño físico del sistema. Las pinzas de setenta toneladas, generalmente maniobran un pilote de 630 toneladas, lo cual significa que solamente podíamos probar completamente el sistema de control final una vez instalado en la embarcación.

 

 

 

Componentes del Sistema de Control

Desarrollamos el sistema de control de pinza de robot (GACS) para garantizar la implementación confiable, almacenamiento y posicionamiento de las pinzas de robot en el plano horizontal a través de una palanca ubicada en el paquete del operador.

 

Usamos LabVIEW y hardware CompactRIO para desarrollar el sistema de control completo en todo el sistema del brazo de la pinza del robot. Diseñamos un algoritmo combinando la cinemática directa e inversa de ambas mordazas para calcular las longitudes del cilindro hidráulico necesarias para mover la pinza en la dirección deseada. Un control simple proporcional-integral disminuye errores de posición del cilindro. La lógica de manejo de restricciones mantuvo un comportamiento adecuado en el borde de la envolvente de funcionamiento, facilitó la retracción de la pinza para almacenamiento y limitó el diámetro admisible de la mordaza para evitar daños en la pila.

 


Las acciones operativas de lógica, monitoreo y falla también son ejecutadas en el CompactRIO y con acceso a través de una PC con pantalla táctil (TPC) con una palanca y un juego de botones/LEDs integrados en el paquete del operador. Los TPC que ejecuta Windows XP, fueron usados para proporcionar la interfaz del operador GACS, la cual también fue desarrollada usando LabVIEW.

 

El controlador embebido CompactRIO fue equipado con numerosos módulos de Entrada/Salida (E/S) para conectar con los sensores, actuadores y el paquete del operador. El controlador CompactRIO fue aprobado por Det Norske Veritas (DNV) para seguridad, reglas ambientales y EMC para entornos marítimos.

 

La estructura del software GACS incluía la aplicación en tiempo real (RT) principal, un programa FPGA incluyendo un watchdog, el software HMI que se ejecuta en la TCP y el emulador basado en PC usado durante el desarrollo y puesta en marcha únicamente.

 

Desarrollamos el emulador para probar ampliamente la lógica operativa y respuesta a las fallas antes de las pruebas reales de fábrica o en la embarcación. El emulador se ejecutó en una PC conectada al sistema CompactRIO vía Ethernet y las variables compartidas publicadas en la red fueron definidas para intercambiar datos entre el emulador y la aplicación principal. Además, el emulador reemplazó cualquier componente que no estaba presente físicamente durante la prueba de fábrica.

 

Funciones del Sistema de Control

El GACS manejó la implementación y almacenamiento de las pinzas usando dos actuadores hidráulicos de levantamiento. Dos pares de cilindros hidráulicos realizaron el control de posición X-Y, que el operador guió usando la palanca del paquete. El software GACS incluía las siguientes características:

 

Cinemática inversa: calcula las longitudes del cilindro requeridas para mover las pinzas de robot a una posición determinada en el plano horizontal. Inicialmente implementamos esto usando nodos MathScript, sin embargo, posteriormente recodificamos usando LabVIEW para optimizar la velocidad de ejecución.

  • Cinemática directa: monitoreó las posiciones individuales y relativas de la pinza de robot para manejar las restricciones del sistema (envolvente y espacio de pila) y también para visualizar en la TPC.
  • Control RT: interpretó movimientos de la palanca del operador conforme a la dirección ordenada y la velocidad de movimiento de la pinza. Esta "demanda de velocidad" fue convertida internamente a los puntos base de posición X-Y usando cinemática inversa y las posiciones X-Y actuales de las pinzas. Los puntos base fueron limitados por velocidad, después pasados por cinemática inversa para convertirlos en las longitudes de cilindro correspondientes, tomando en cuenta sus límites máximos y mínimos. Finalmente, los controladores dinámicos de longitud del cilindro individual (retroalimentación PID) calcularon las señales de control para controlar las válvulas servo hidráulicas correspondientes. Los controladores de cilindros individuales también tienen trayectorias de alimentación directa para mejorar el rendimiento de registro, lo cual también permitió diferentes ganancias para la extensión del cilindro y la reacción que será aplicada.
  • Lógica operativa: implementada en la arquitectura de código de estado de máquina de LabVIEW, lo cual hizo posible diferentes modos y sub-modos de operación (inicialización, inactivo, implementar/guardar, pinza simple, sincrónico).
  • Monitoreo: amplio monitoreo de E/S analógicas, E/S digitales y estados internos y cálculos que aseguraron fallas al retener y recibir una respuesta rápida y adecuada, ya sea una sola advertencia para el operador o un controlador que inició un paro de emergencia. Un circuito externo de relé de seguridad respondió a los botones de paro de emergencia y fallas GACS iniciadas.
  • Temporizador tipo watchdog: inició automáticamente un paro de emergencia si el software de control embebido dejar de responder, que implementamos utilizando el FPGA en el controlador CompactRIO para la operación de alta integridad. Un segundo watchdog monitoreó la conexión de red entre el sistema CompactRIO y la TPC.
  • Interfaz del operador: desarrollado como un ejecutable de LabVIEW autónomo que se ejecuta en el TPC integrado con una palanca y una variedad de botones/LEDs. El TPC se comunicó con el software de control CompactRIO a través de variables compartidas vía Ethernet.

 

Resultados de la Prueba en Mar

En cuanto la Pinza de Robot y su software fueron instalados y puestos en marcha en el MPI Discovery, zarpó hacia el Parque Eólico Marítimo en el Humber para instalar cuatro pilotes y piezas de transición (la visible, base amarilla de turbinas eólicas en alta mar). Este parque eólico está ubicado a 8 kms de la costa cerca de Grimsby en Reino Unido, en profundidades de hasta 18 m. El sitio consistirá de 73 turbinas cuando sea completado en el 2015.

 


 

Los ingenieros de ISC estuvieron presentes en la exitosa instalación de los dos primeros pilotes, los cuales requirieron la Pinza de Robot para colocar y mantenerlos verticales durante la larga operación, que duró varias horas.  El sistema funcionó bien y cumplió con las expectativas de las pruebas de fábrica, con tan solo unos elementos que requirieron ajustes.

 

Rápido Desarrollo, Interfaz Flexible

El desarrollo del sistema de control fue muy exitoso. Fuimos desde una hoja de papel en blanco hasta la implementación, hasta las pruebas de fábrica y finalmente las exitosas evaluaciones en alta mar en tan solo unos meses.

 

Al platicar sobre la exitosa implementación del sistema de Pinza de Robot, Frederic Perdrix, Director Técnico en Houlder, comentó “el resultado combina ingeniería estructural, mecánica e hidráulica de alta resistencia con control de precisión”.

 


 

La combinación de LabVIEW y CompactRIO proporcionó toda la potencia de cómputo requerida por nuestros cálculos cinéticos y de control de bajo nivel, así como el determinismo y la fiabilidad requeridos por nuestra lógica operacional. El tamaño pequeño y naturaleza de baja potencia de CompactRIO y pantallas TPC se adecuaron al entorno marítimo y proporcionaron una interfaz muy flexible a la E/S requerida para esta aplicación.

 

El brazo de la Pinza de Robot ahora está trabajando con pilotes reales y condiciones marítimas.

 

 

 

Información del Autor:

Pawel Majecki
Industrial Systems and Control
Culzean House, 36 Renfield Street
Glasgow G2 1LU
United Kingdom
Tel: 0141 225 0124
pawel@isc-ltd.com

Figura 1: Concepto CAD de Brazo con Pinza de Pilotes de Houlder Ltd
Figura 2. Control de los Brazos de las Pinzas de Robot usando el paquete del operador
Figura 3. Cabina de Control Principal que Aloja el CompactRIO
Figura 4. Colocando el Primer Pilote en el Parque Eólico en Humber
Figura 5. Pinzas de Robot de Pilote instaladas en la embarcación MPI Discovery (Foto de Houlder)