Crear bancos de pruebas de laboratorio ferroviario basados en NI LabVIEW, PXI y CompactRIO

Eduardo Elizalde, CETEST S.L.

Elegimos sistemas basados en plataformas de NI para desarrollar software de control y sistemas de adquisición de datos para nuestro laboratorio integral de material rodante ferroviario.

- Eduardo Elizalde, CETEST S.L.

El desafío:

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

La solución:

Usando el NI LabVIEW Real-Time Module, el NI LabVIEW FPGA Module y el hardware NI CompactRIO, NI Single-Board RIO y NI PXI para crear una solución personalizada de adquisición y control para cumplir con nuestros requisitos de pruebas.

CETEST S.L. es un laboratorio de pruebas independiente y totalmente acreditado que ofrece servicios de verificación de diseño y homologación de sistemas y componentes. Nos enfocamos en el campo de material rodante ferroviario (vehículos y componentes), por el que nuestra compañía es reconocida en toda Europa. Debido a la variedad de escenarios de pruebas que requiere el sector, desarrollamos, tanto internamente como en colaboración con otras compañías, sistemas de pruebas específicos con soluciones avanzadas de mecatrónica. Entre otras actividades, realizamos pruebas de integridad estructural, resistencia a la fatiga, rendimiento y durabilidad en componentes del laboratorio. Además, medimos el ruido, la vibración y realizamos pruebas de comportamiento dinámico en campo.

 

En los últimos años, las necesidades de pruebas de nuestros clientes han aumentado junto con la necesidad de nuevos bancos de pruebas y nuevos equipos de adquisición y control. Debido a la versatilidad de los productos de National Instruments, realizamos muchas de estas actualizaciones utilizando arquitecturas de NI.

 

 

Prueba de estructuras grandes

Disponemos de un banco específico para la prueba de integridad estructural de grandes estructuras. Este banco puede probar estructuras de hasta 35 m de largo con diferentes combinaciones de carga, simulando cargas excepcionales y de servicio. Una línea neumática utilizada para aplicar cargas verticales (valores hasta 100 toneladas) se administra con una interfaz basada en LabVIEW (ver Figura 1). El resto de la hipótesis de carga (diferentes compresiones en altura o tracción) se aplican mediante actuadores hidráulicos, hasta 400 toneladas. Estas pruebas monitorean las lecturas de desplazamiento y carga de 20 actuadores, así como todas las señales provenientes del sistema hidráulico y neumático. Con la finalidad de crear un banco de pruebas versátil, definimos diferentes ciclos de control. Por lo tanto, el sistema puede controlar los actuadores de manera independiente o combinada, tanto en desplazamiento como en carga. Además, el usuario puede controlar manualmente el banco de pruebas, si es necesario.

 

 

Prueba de integridad y resistencia a la fatiga

Para comprobar la integridad y resistencia a la fatiga de una estructura, utilizamos galgas extensiométricas y medidas de sensores de desplazamiento en diferentes puntos de la estructura, lo que requiere un sistema de adquisición multicanal. Para este propósito, personalizamos dos sistemas de adquisición de controlador embebido NI PXIe-8108 combinando un módulo de entrada de puente simultáneo NI PXIe-4330 con un módulo de la serie M multifunción NI PXI-6225. Cuando se usa de manera independiente, cada sistema puede contener hasta 18 tarjetas. Sin embargo, si se necesitan más canales, el usuario puede implementar la comunicación entre ambos sistemas. Con la finalidad de adaptar el sistema a las necesidades de las pruebas, desarrollamos software de configuración, visualización y adquisición utilizando los módulos LabVIEW Real-Time y LabVIEW FPGA.

 

 

 

Pruebas de carga de alta estática o cuasiestática

La variedad de pruebas bajo condiciones de carga en otros tipos de estructuras y componentes hace que sea imposible establecer una configuración estándar. Para casos con altas cargas estáticas o cuasiestáticas, contamos con sistemas hidráulicos y actuadores de 700 bar. Podemos controlarlos tanto en carga como en desplazamiento. Para realizar estas aplicaciones, programamos un procesador NI cRIO-9076 en tiempo real con un sistema basado en FPGA para controlar de manera remota las secuencias de carga definidas por el usuario. Además, el sistema puede medir, evaluar y adquirir señales de sensores.

 

 

 

Prueba de elementos giratorios de material rodante

Para probar elementos giratorios específicos del material rodante (como cajas de engranajes y rodamientos), desarrollamos sistemas de adquisición y control basados en productos de NI. Dos ejemplos incluyen un banco de pruebas con velocidad variable de rotación y torsión para cajas de engranajes en una configuración de cuatro cuadrados y dos pruebas de rendimiento funcional para cajas de eje de ferroviarias. La finalidad de estos bancos de pruebas es estudiar diferentes variables de funcionamiento y temperaturas, y la distribución de grasas y aceites.

 

 

 

Banco de pruebas de caja de engranajes con aplicación de carga

En el banco de pruebas de caja de engranajes con aplicación de carga, podemos probar cajas de engranajes con hasta 1 MW de potencia controlando un motor de 350 kW. Podemos alcanzar velocidades de hasta 6,000 rpm y de torsión hasta 10 kN por m. El control del banco de pruebas con el controlador embebido NI PXI-8102 ofrece ciclos de velocidad y torsión definidos por el usuario. Además, el sistema puede medir, evaluar y adquirir señales provenientes de sensores (torsión, velocidad y temperatura) y parámetros del variador.

 

Cajas de eje de rodamientos ferroviarios

Con los bancos de pruebas de cajas de eje de rodamientos ferroviarios, podemos crear ciclos de velocidad y carga axial definidos por el usuario. Además, el sistema puede medir, evaluar y adquirir señales provenientes de sensores (celdas de carga, velocidad y temperatura) y parámetros del variador. En este caso, el control de uno de los bancos de pruebas se basa en un controlador embebido NI cRIO-9022 y el otro en un controlador embebido NI PXI-8102.

 

Caracterización estática de la resistencia rotacional

Como ejemplo final de nuestras capacidades, disponemos de un banco de pruebas para la caracterización estática de la resistencia rotacional de la unión bogie-carrocería. Esta medida de resistencia es un tema clave para contrastar modelos teóricos, así como para el análisis de seguridad de circulación de curvas. El control, basado en un dispositivo embebido de control y adquisición NI sbRIO-9631, administra un sistema hidráulico de 210 bar, establece alarmas y límites y genera formas de onda para el control de la velocidad de rotación relativa. Además, el sistema puede adquirir señales de sensor de torsión y desplazamiento.

 

Elegimos sistemas basados en plataformas de NI para desarrollar software de control y sistemas de adquisición de datos para nuestro laboratorio integral de material rodante ferroviario. Hasta ahora, hemos usado CompactRIO, PXI y NI Single-Board RIO programados con LabVIEW Real-Time o LabVIEW FPGA. También elegimos un sistema de adquisición multicanal para adquirir tanto galgas extensiométricas como señales de alto nivel como una alternativa a los sistemas de adquisición habituales utilizados para pruebas estructurales.

 

Información del autor:

Eduardo Elizalde
CETEST S.L.
España

Figura 1. GUI de banco de pruebas de grandes estructuras
Figura 2. Pantalla de visualización del sistema de adquisición multicanal
Figura 3. Pantalla de control del sistema hidráulico de aplicación de carga particular
Figura 4. Banco de pruebas de rendimiento de cajas de eje ferroviarias
Figura 5. Esquema del banco de pruebas de resistencia rotacional