Elija el hardware adecuado para reducir el costo del sistema en aplicaciones resistentes

Las aplicaciones robustas a menudo incluyen pruebas en rangos de temperatura extremos, lo que puede agregar restricciones al hardware. Por ejemplo, las pruebas en frío del motor de arranque utilizan una celda de prueba que puede caer a -40 °C y requiere la adquisición continua de datos para la temperatura, la presión y otras mediciones diversas. Colocar hardware que no está construido para soportar este rango en entornos difíciles puede hacer que los componentes dentro del hardware funcionen incorrectamente y resulten en datos incorrectos, o incluso dañar el hardware.

Figura 1. Se utiliza una celda de ensayo para realizar varios ensayos en motores, incluidos los de temperaturas extremas.

El hardware puede soportar estos rangos extremos de temperatura de dos maneras. La primera sería crear una carcasa externa para su hardware para protegerlo. Dependiendo del lado del rango de temperaturas extremas en el que esté utilizando su hardware, es posible que deba implementar elementos de calefacción o refrigeración en la carcasa para mantener sus componentes a una temperatura de funcionamiento segura. Además, podría considerar el uso de blindaje y evaluar el color de la carcasa para reflejar el calor. Con todas las consideraciones para diseñar un recinto, puede ser un proceso costoso y lento.

Alternativamente, puede seleccionar hardware construido para soportar condiciones de temperatura extremas. El hardware NI soporta el rango de temperatura extremo asegurando que los componentes funcionen correctamente dentro de estos límites. Las carcasas se someten a pruebas térmicas y validación exhaustivas para garantizar que los componentes seleccionados funcionan dentro de sus especificaciones. Esta prueba también permite que el hardware cumpla con los estándares internacionales para operar dentro de un rango de temperatura.

Otra consideración típica al desarrollar una aplicación robusta serían las especificaciones de choque y vibración para su prueba, y construir su configuración para soportarla. Las aplicaciones que van desde la monitorización de la caja de cambios principal de un sistema de transmisión de potencia de excavadora de ruedas de cucharón hasta la toma de medidas analógicas y digitales dentro de un coche de carreras de Fórmula SAE requieren la consideración de los valores de vibración y choque que se inducen en el hardware de prueba. Si su hardware se coloca en un entorno exigente donde se producen altos valores de vibración o choque y no puede manejar estos valores, esto podría dañar sus componentes de hardware y causar costosos costos de reparación o reemplazo.

Figura 2. Esta aplicación de alta vibración está monitoreando la caja de cambios principal de la rueda de cubo de una excavadora KWK1500s.

Al diseñar una configuración de prueba para un entorno resistente, hay de nuevo un par de opciones para comparar. Podría diseñar una carcasa para vibraciones y golpes para permitir que los componentes dentro del hardware funcionen dentro de sus especificaciones dadas. Un enfoque es construir una carcasa que aísle el hardware de las condiciones de vibración. Esto podría ser difícil y requerir muchas pruebas para garantizar que su hardware funcione correctamente dentro de las condiciones de vibración o choque.

Alternativamente, puede seleccionar hardware construido para soportar estas especificaciones. El hardware NI soporta niveles de choque y vibración de hasta 100 g en golpes y 10 grms en valores de vibración cuando se monta de acuerdo con la documentación del hardware. El montaje del hardware NI de acuerdo con la documentación cumplirá plenamente con los estándares internacionales y certificará el producto según sus especificaciones. NI ha validado estas especificaciones de hardware mediante pruebas exhaustivas. 

Figura 3. Esta prueba de vibración utiliza la plataforma NI CompactDAQ.

Aunque el rango de temperatura y las especificaciones de choque y vibración son cruciales para abordar cuando se desarrolla una aplicación resistente, también es importante considerar el entorno donde se realizan estas pruebas. Esto es especialmente cierto si este entorno es un lugar peligroso con gas o vapor potencialmente explosivos presentes durante condiciones de funcionamiento anormales. Ejemplos de lugares peligrosos incluyen fábricas o refinerías químicas. Al desarrollar una configuración de prueba para una aplicación en estos lugares peligrosos, es una parte importante del proceso tener las certificaciones correctas para su configuración.

Las certificaciones para operar en ubicaciones peligrosas, dependiendo de dónde se encuentre a nivel regional, son las certificaciones de Ubicaciones Peligrosas UL o las Ubicaciones Peligrosas de la Unión Europea. Ambos certifican productos para su uso en lugares peligrosos donde puedan existir atmósferas explosivas. La certificación UL viene en un grado de clases y divisiones. Las clases indican el tipo de ubicación peligrosa, y la división indica las condiciones. Las clases ofrecidas son de Clase 1 a Clase 3 con ubicaciones que van desde gas o vapor hasta polvo hasta polvo, fibras y vuelos en una atmósfera potencialmente explosiva, respectivamente. Las clases se dividen en dos: La División 1 es para el material en condiciones normales de funcionamiento y la División 2 es para el material en condiciones anormales.

Por lo general, debe ejecutar toda la configuración de prueba a través de todas las pruebas de certificación para asegurarse de que cumple con los requisitos para usarse en lugares difíciles. Probar todo el hardware puede ser un proceso costoso e intensivo, pero se requiere para operar en este tipo de entornos.

Figura 4. Esta prueba de tubería requiere una certificación de ubicación peligrosa.

Otra certificación común para aplicaciones robustas es la aprobación de tipo Lloyd’s Register. Esta certificación es una evaluación realizada por un tercero que certifica la conformidad de un producto con los estándares nacionales e internacionales, y la verificación del sistema de calidad de producción de los fabricantes. La homologación de tipo se aplica a productos para uso en aplicaciones marinas y de alta mar, plantas y procesos industriales y el sector de tecnología de la información. Además de garantizar que el producto cumpla con los estándares de seguridad adecuados para un entorno marino, la homologación de tipo garantiza que el rendimiento del producto se mantenga en las condiciones ambientales marinas.

Para obtener esta certificación, su hardware debe pasar por todo el proceso establecido por el tercero que evalúa el hardware. En primer lugar, el grupo de terceros debe revisar todo el diseño del hardware para asegurarse de que cumple con las especificaciones y códigos específicos. Luego, deben ser testigos de la inspección y las pruebas y hacer que se envíen a las personas para su posterior revisión y validación. Si todo está aprobado, entonces el hardware está validado y autorizado para usar la marca Lloyd’s Register Type Approval. El proceso de certificación de hardware es intensivo y costoso, y es necesario que su hardware afirme que tiene esta certificación.

También puede necesitar protección contra partículas sólidas y líquidos en el ambiente. Si es así, una certificación común es el Marcado de Protección de Entrada (IP Rating) que clasifica el grado de protección proporcionado contra la intrusión de polvo y agua. El código IP se compone de dos números. El primer número se refiere a la protección contra objetos sólidos y se clasifica en una escala de 0 (sin protección) a 6 (sin entrada de polvo). El segundo numeral califica la protección del recinto contra líquidos y utiliza una escala de 0 (sin protección) a 9 (agua caliente a alta presión desde diferentes ángulos). Por ejemplo, una clasificación IP65 significa que el hardware es hermético al polvo y está protegido contra la presión del chorro de agua. Una clasificación IP67 significa que el hardware es estanco al polvo y está protegido contra los efectos de la inmersión temporal en agua. Si un producto tiene una clasificación IP de segundo dígito más alta (IP67, por ejemplo), no garantiza que esté protegido contra una clasificación IP de segundo dígito más baja (IP65, por ejemplo). Existen diferentes pruebas para determinar la clasificación de protección contra el agua, de modo que un dispositivo con clasificación IP67 no sea automáticamente IP65.

NI proporciona una variedad de hardware con varias certificaciones ambientales de la industria que cumplen con los estándares internacionales aplicables. El hardware ya ha sido sometido a las rigurosas pruebas que se necesitarían para certificar su aplicación. Las certificaciones van desde tener su hardware en conformidad para su uso en lugares peligrosos hasta tenerlo certificado para su uso en condiciones ambientales marinas y protegido contra la intrusión de polvo y agua.

Al decidir sobre el hardware para una aplicación robusta, el factor de forma general es una gran consideración. La huella del sistema de prueba es significativa a la hora de decidir qué hardware utilizar en entornos exigentes como en cubiertas de plataformas petrolíferas marinas o en medio de un desierto. Si el material con el que está construido el hardware no puede soportar los entornos hostiles y necesita una carcasa para su protección, esto podría aumentar drásticamente la huella del sistema. Si la carcasa necesaria para proteger el hardware tiene una huella demasiado grande, esto puede limitar dónde puede realizar las pruebas. Para aplicaciones más distribuidas y remotas, desea minimizar el tamaño del hardware.

Figura 5. Las celdas de prueba del motor son otro ejemplo de aplicaciones que a menudo requieren hardware resistente con una huella pequeña.

Además, considere cómo se enfría el hardware. El hardware puede enfriarse de muchas maneras. Las dos formas principales son el enfriamiento pasivo y activo. El hardware que se enfría pasivamente puede ser más resistente porque no hay partes móviles. Si su hardware necesita partes móviles como ventiladores para enfriarse correctamente al realizar las pruebas, esto podría limitar el lugar donde puede realizar las pruebas. Con un dispositivo refrigerado activamente, hay componentes mecánicos que consumen energía a tener en cuenta por otras consideraciones difíciles, como el rango de temperatura en el que puede operar o las especificaciones de choque y vibración que puede soportar durante el funcionamiento.

Saber el tipo de entorno en el que se encontrará su aplicación y cómo los factores externos adicionales afectarán a su configuración determina si desea desarrollar una carcasa para el sistema o si prefiere seleccionar hardware construido para la robustez.

Decidir qué hardware usar depende de la aplicación. Por ejemplo, ¿está monitoreando varias mediciones o realizando una aplicación de control y monitoreo? Si necesita flexibilidad para realizar cualquier procesamiento en la FPGA incorporada o usarla como controlador en un sistema de control, entonces NI CompactRIO sería lo mejor.

NI CompactDAQ

CompactDAQ es una plataforma modular de medición mixta con acondicionamiento de señal incorporado y una gran variedad de opciones de E/S. Puede crear un sistema optimizado exactamente para su aplicación robusta sin pagar por funcionalidades innecesarias, con la flexibilidad para adaptarse a los requisitos cambiantes con el tiempo. CompactDAQ y todos los módulos de la serie C están construidos con aluminio fundido A380 para un sistema resistente que puede soportar temperaturas de funcionamiento de -20 °C a 55 °C y hasta 30 g de choque. Para una versión más robusta del chasis CompactDAQ, el NI cDAQ-9185 y el NI cDAQ-9189 pueden soportar temperaturas de funcionamiento de -40 °C a 70 °C y hasta 50 g de choque. 

Con un sistema robusto y flexible como CompactDAQ, puede reconfigurar y mover un solo sistema de prueba de un lugar a otro sin tener que comprar diferentes equipos para cada laboratorio o banco de pruebas. Los módulos de E/S de la serie C, que se utilizan dentro del chasis CompactDAQ, son igualmente resistentes y están diseñados con pestillos accionados por resorte para bloquearse en su lugar cuando se instalan en el chasis. Las especificaciones de choque y vibración se prueban en un sistema CompactDAQ con módulos instalados, para que los módulos no se caigan o se desacoplen en las condiciones especificadas. 

Las versiones robustas de los sistemas CompactDAQ también han pasado por rigurosas pruebas y vienen con las certificaciones de Ubicaciones Peligrosas de la UL y la Unión Europea. Las características robustas de CompactDAQ le ayudan a comenzar rápidamente las pruebas porque se necesita menos tiempo para preparar la instrumentación para los rigores de las pruebas de campo.

Figura 6. El cDAQ-9189 proporciona un rango de temperatura de -40 °C a 70 °C, 50 g de choque y 5 g de vibración a la familia CompactDAQ, para que pueda tomar cualquier medida en cualquier lugar.

NI CompactRIO

CompactRIO combina una arquitectura integrada abierta con módulos de E/S industriales de pequeño tamaño, robustez extrema e intercambiables en caliente, alimentados por la arquitectura reconfigurable de E/S (RIO) de NI LabVIEW. El tamaño, el peso y la densidad de canales de E/S son requisitos críticos de diseño en muchas aplicaciones embebidas. Al aprovechar el rendimiento extremo y el pequeño tamaño de los dispositivos FPGA, CompactRIO ofrece capacidades de control y adquisición sin precedentes en un paquete compacto y robusto con certificaciones industriales extremas y clasificaciones para su operación en entornos industriales hostiles. CompactRIO ofrece rangos de temperatura de -40 °C a 70 °C (-40 °F a 158 °F), clasificación de impacto de 50 g y una variedad de certificaciones y clasificaciones de seguridad internacional, compatibilidad electromagnética y ambientales.

Figura 7. Los sistemas CompactRIO ultrarresistentes ofrecen un alto nivel de rendimiento y flexibilidad.

NI FieldDAQ

FieldDAQ combina el acondicionamiento de señales, la conectividad y la digitalización específicas de los sensores para interactuar directamente con sensores y señales comunes como termopares, medidores de deformación y más. Con FieldDAQ, puede tomar mediciones precisas lo más cerca posible de su sensor, en una amplia gama de condiciones ambientales. Los dispositivos FieldDAQ tienen una clasificación de protección de entrada de hasta IP67 (IP65/IP66/IP67), lo que hace que estos dispositivos sean resistentes al polvo y a la inmersión en agua y al chorro de pulverización. Estos dispositivos pueden operar en ambientes de -40 °C a 85 °C mientras disipan el calor a través de refrigeración pasiva, eliminando partes móviles frágiles como ventiladores. FieldDAQ utiliza conectores M12 estándar para evitar que los cables se desprendan durante el funcionamiento, incluso hasta 100 g de choque y 10 grms. FieldDAQ se basa en la plataforma abierta de NI centrada en el software y amplía el ecosistema de productos NI TSN. Puede personalizar la configuración de su sistema conectando y sincronizando FieldDAQ con otros productos de TSN, como CompactDAQ y CompactRIO, y cómo adquiere, visualiza y analiza señales del mundo real para tomar decisiones basadas en datos.

Figura 7. FieldDAQ ofrece dispositivos DAQ de alto rendimiento clasificados para los entornos más extremos.

Hay varias maneras de diseñar y construir su sistema para soportar los factores externos que afectan a su sistema para aplicaciones en entornos difíciles y exigentes. Algunos de los grandes temas a investigar incluyen el rango de temperatura en el ambiente, las especificaciones de choque y vibración que su hardware necesita soportar, cualquier certificación ambiental requerida y el tipo de factor de forma y características necesarias para el sistema en general.

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