Implantación de sistemas de control y adquisición en laboratorio de ensayos ferroviarios

Eduardo Elizalde, CETEST S.L.

"CETEST S.L, para su laboratorio de ensayo integral sobre componentes ferroviarios ha apostado por sistemas basados en plataformas NI para el desarrollo del software de control y adquisición de datos de diferentes bancos de ensayo."

- Eduardo Elizalde, CETEST S.L.

El Reto:

Desarrollo de soluciones de control y adquisición para un laboratorio de ensayo integral de material rodante ferroviario.

La Solución:

Desarrollar aplicaciones de control y adquisición customizadas a partir de hardware de National Instruments, el módulo NI LabVIEW Real-Time y LabVIEW FPGA.

CETEST S.L es un laboratorio independiente acreditado que ofrece servicios de ensayo para verificación de diseños y homologación de sistemas y componentes. La mayor parte de su actividad se centra en el material rodante ferroviario, ámbito en el que CETEST es referente a nivel europeo. Debido a la variedad de escenarios para ensayos requeridos por el sector, CETEST se ha visto en la necesidad de desarrollar, internamente o en colaboración con otras empresas, sistemas de ensayo específicos con soluciones mecatrónicas avanzadas.

 

Entre otras actividades, CETEST realiza ensayos estructurales de integridad y fatiga, ensayos de funcionamiento y durabilidad sobre componentes en laboratorio y ensayos de caracterización de ruido, vibraciones y comportamiento dinámico en campo.

 

 

A lo largo de los últimos años, las necesidades de ensayos en CETEST han ido creciendo, y con ellas el desarrollo de nuevos bancos de pruebas y la necesidad de utilizar nuevos equipos de adquisición y control. Dada la versatilidad de sus productos, gran parte de los desarrollos se han llevado a cabo utilizando arquitecturas de National Instruments. En el presente artículo se resumen dichas soluciones adoptadas.

 

Para ensayos de integridad sobre grandes estructuras CETEST dispone de un banco de ensayos específico. En este banco pueden ensayarse estructuras de hasta 35m, con diferentes combinaciones de carga que simulan solicitaciones excepcionales o de servicio de la estructura en funcionamiento. A través de una interfaz creada en LabVIEW se gestiona una línea neumática que permite cargar verticalmente las estructuras (valores de hasta 100 ton). El resto de hipótesis de carga, compresiones a diferentes alturas o tracciones por ejemplo, se aplican por medio de actuadores hidráulicos, de hasta 400 ton. En estos ensayos se monitorizan los valores de desplazamiento y carga en cada uno de los 20 actuadores de los que dispone el banco, así como todas las señales provenientes de los grupos neumáticos e hidráulicos. Con el fin de crear un banco versátil, existen varios lazos de control definidos, permitiendo de esta forma controlar actuadores independientemente o de manera combinada tanto en fuerza como en desplazamiento. Así mismo se puede operar en modo manual (lazo abierto), si la situación lo requiere. (ver figura 1)

 

 

Para chequear la integridad y la resistencia a fatiga de la estructura, es habitual registrar medidas de bandas extensiométricas y sensores de desplazamientos en diferentes puntos de la estructura. Con este fin se requiere de un  sistema de adquisición multicanal. Para ello se han customizado dos equipos de adquisición NI PXIe-8108, combinando tarjetas de adquisición de extensometría NI PXIe-4330 y tarjetas de adquisición de entradas analógicas NI PXI-6225. Cada uno de los equipos, utilizado individualmente, puede contener un máximo de 18 tarjetas. No obstante si el número de canales queda limitado, estos equipos pueden comunicarse entre sí. Con el fin de adecuar las características del equipo a las necesidades del ensayo, CETEST ha desarrollado un software de configuración, tratamiento, visualización y adquisición de los canales de entrada al equipo. (ver figura 2)

 

 

La variedad de ensayos bajo carga sobre otro tipo de estructuras o componentes, hace imposible una configuración estándar de los mismos. Para casos de carga estáticos o quasiestáticos elevados, CETEST dispone de grupos hidráulicos y actuadores de 700 bar que han de ser controlados en carga o en desplazamiento. Para ello se ha desarrollado un sistema basado en NI cRIO-9076, que permite controlar de forma remota secuencias de carga definidas por el usuario además de medir, evaluar y adquirir las señales provenientes de los sensores. (ver figura 3)

 

Para ensayo de sistemas rotativos, específicos del material rodante ferroviario, se han desarrollado, sistemas de control y adquisición basados en productos NI. Caben destacar, un banco de ensayos bajo par y velocidad variable para reductoras en configuración 4-square,  con el fin de estudiar diferentes variables en funcionamiento, temperaturas, distribución de aceite y grasa, estanqueidad, etc… y dos bancos de ensayos de cajas de grasa ferroviarias.

 

 

El banco de ensayos en carga permite ensayar reductoras de hasta 1MW de potencia a través del control de un motor de 350 kW. Se pueden alcanzar velocidades de hasta 6000rpm y pares de hasta 10 kN.m. El control del banco (NI PXI 8102) permite introducir ciclos de par y velocidad definidos por el usuario, medir, evaluar y adquirir las señales de los sensores de par, velocidad, temperaturas y parámetros provenientes del variador de velocidad.

 

Los bancos de ensayos de rodamientos de cajas de grasa permiten generar ciclos de velocidad (hasta 3000 rpm) mientras se aplica una carga radial constante (hasta 200kN) y una carga axial alterna (hasta 100kN) sobre los rodamientos a ensayar. El control permite definir formas de onda personalizadas para la velocidad y la carga axial, así como  medir, evaluar y adquirir las señales de los sensores de fuerza, velocidad, temperaturas y parámetros provenientes del variador de velocidad. En este caso, de los dos bancos de los que se dispone, el control de uno de ellos está basado en un chasis NI cRIO-9022, mientras que el otro se basa en un controlador NI PXI-8102. (ver figura 4)

 

 

Por último, CETEST dispone de un banco para la caracterización estática de la resistencia rotacional de la unión caja-bogie, aspecto clave para la contrastación de modelos teóricos y análisis de seguridad de circulación en curva. El control basado en un sbRIO-9631, gestiona el funcionamiento de un grupo hidráulico de 210 bar, establece alarmas y límites para su funcionamiento y permite generar formas de onda para el control en velocidad de la rotación relativa. Así mismo, permite adquirir las señales del desplazamiento y el par de giro resultante. (ver figura 5)

 

CONCLUSIÓN

CETEST S.L, para su laboratorio de ensayo integral sobre componentes ferroviarios ha apostado por sistemas basados en plataformas NI para el desarrollo del software de control y adquisición de datos de diferentes bancos de ensayo. Hasta el momento se han utilizado las plataformas CompactRIO, PXI y Single-Board RIO, programadas en LabVIEW Real-Time o FPGA dependiendo de la aplicación.

 

Asimismo CETEST ha optado por un sistema de adquisición multicanal, para la adquisición tanto de señales de galgas extensiométricas como señales de alto nivel, como alternativa a sus sistemas habituales de adquisición para ensayos estructurales.

 

Información del Autor:

Eduardo Elizalde
CETEST S.L.
Spain

Figura 1.-Pantalla de visualización de banco de ensayos para grandes estructuras
Figura 2.-Pantalla de visualización del equipo de adquisición multicanal
Figura 3.-Pantalla de visualización de control de grupo hidráulico de cargas particulares
Figura 4.-Banco de ensayos para cajas de grasa ferroviarias
Figura 5.-Esquema de banco de ensayos de resistencia rotacional