Pablo Cerrada González, Robert Bosch España
Diseñar y construir un sistema de prueba final que permita comprobar el 100% de la producción de la nueva generación de bombas de combustible para automóviles de Denso. Esto es, cada bomba fabricada deberá ser sometida a un chequeo funcional completo. Adicionalmente, el sistema final debe poder alcanzar una cadencia de producción de 4.5s/bomba.
Para alcanzar la cadencia de producción, el sistema de prueba final se ha dividido entre diferentes bancos de medida idénticos entre sí, que funcionan en paralelo. Cada uno de estos bancos tiene asociado un ordenador industrial (IPC), donde mediante las tarjetas PCI de National Instruments, se lleva a cabo el control y la adquisición de las magnitudes que intervienen en la prueba.
Juan Carlos Carpio - Robert Bosch España
Pablo Cerrada González - Robert Bosch España
El sistema final tiene una arquitectura como la que se muestra en el siguiente diagrama.:
Los requerimientos de calidad en la industria del automóvil son cada vez más y más exigentes. Las exigencias de cero fallos en las líneas de producción conllevan el desarrollo y la instalación de complejos sistemas de medida y chequeo de los parámetros funcionales de los componentes que se están fabricando.
El sistema que se describe en este artículo tiene como objetivo la parametrización y valoración buena-mala de las bombas de combustible de nueva generación fabricadas en la planta de Associated Fuel Pump Systems Corporation (AFCO), Anderson, SC, EEUU.
El sistema se plantea en base a dos grandes grupos de requerimientos técnicos:
El sistema final deberá ser capaz de satisfacer los requerimientos indicados en el párrafo anterior. Para poder alcanzar las necesidades de producción, se hace necesario plantear un sistema redundante, con varios bancos de medida idénticos que trabajen en paralelo de forma que se permita la ejecución de las pruebas sobre varias bombas simultáneamente
La solución adoptada finalmente consta de un total de 16 cabezales de medida. Cada uno de estos cabezales de medida lleva asociados una serie de elementos de medida (caudalímetros, acelerómetros, sensores de presión, transductores de corriente, etc.), control (fuentes de alimentación, servoválvulas, válvulas, etc.) y accionamiento (manipulador de piezas, control de bombeo de líquido de prueba, etc.) que juegan un papel a lo largo de la secuencia de prueba.
A grandes rasgos, para determinar si una bomba de combustible es válida para su comercialización, es necesario medir múltiples parámetros tomados durante su funcionamiento bajo distintas condiciones.
Los parámetros que mayor interés tienen de cara a aplicar un criteriopasa- no pasa son básicamente tres: caudal, consumo y vibración. En cuanto a las condiciones de trabajo, los distintos puntos de funcionamiento sobre los que se realizan las mediciones, se definen con el fin de verificar no sólo un punto de funcionamiento cercano al nominal, si no un rango lo más amplio posible de situaciones en las que la bomba puede llegar a funcionar a lo largo de su vida útil: en vacío, en bloqueo, bajo sobrecargas, bajo condiciones de alimentación subnominal, etc.
Para llevar a cabo la adquisición de la gran cantidad de señales que intervienen en el proceso, es de gran ayuda disponer de un hardware de medida muy versátil, que permita tratar señales de diversos tipos (PWM, digitales, niveles de tensión, etc). Por eso, para esta aplicación resultan especialmente ventajosas las tarjetas multifunción de National Instruments (NI PCI-6221, PCI-6229), ya que permiten concentrar en un único elemento hardware gran cantidad de sistemas de medida. Además, las tarjetas seleccionadas también permiten controlar algunos de los sistemas de actuación cuya temporización no es crítica (no requieren tiempo real), como pueden ser el pilotaje de válvulas, control de fuentes de alimentación, etc.
Para el caso de las medidas de vibración, el empleo de las tarjetas NI PCI-4472 ha permitido reducir en gran medida la electrónica típica de una medida de vibración (amplificadores, excitación), ya que la conexión de los acelerómetros es directa a la tarjeta PCI.
Para la regulación de presión, es necesario recurrir a un sistema determinista. Los sistemas industriales convencionales (PLC) no permiten alcanzar las exigencias de resolución en el control necesarias para la aplicación. Por ello, para esta aplicación se optó por un equipo cRIO 9075 y las tarjetas 9205 y 9263. En este elemento se centralizó todos los lazos de control de presión de todos los cabezales de medida. La comunicación con los PCs de prueba se hace a través de la red, utilizando variables compartidas.
LabVIEW fue la plataforma elegida para llevar a cabo el desarrollo software. Su empleo ha permitido sacar el máximo rendimiento al hardware de National Instruments, a la vez que sus librerías han simplificado en gran medida la integración de todos los dispositivos asociados al proceso (fuentes de alimentación, comunicaciones a través del bus EthernetIP, empleo de variables en red).
La implementación de la aplicación fue muy rápida gracias a la gran cantidad de herramientas de análisis de LabVIEW (FFTs, procesado de señal, etc.). Además, gracias a la gran cantidad de opciones de visualización de LabVIEW, el grado de satisfacción con la interfaz de usuario de la aplicación resultante ha sido elevado.
El alto grado de integración de las herramientas National Instruments en LabVIEW ha resultado de gran utilidad. Por ejemplo, utilizando el Measurement & Automation Explorer (NI-MAX), fue posible simultanear el desarrollo y la depuración de la aplicación de medida con la construcción de las máquinas, gracias a la posibilidad de simular todo el hardware que intervenía en la aplicación. Así, cuando finalmente se cargó el programa en la máquina, el software tenía un grado de madurez muy elevado, lo que ha contribuido en gran medida a evitar pérdidas de tiempo y de materiales por errores software.
Sin salir del MAX, otra de las funcionalidades que más ha contribuido a reducir costes de desarrollo ha sido su extensa funcionalidad en el manejo de canales virtuales y sus propiedades asociadas, como las escalas. Dado que el sistema final se integra dentro de una cadena de producción, los tiempos de parada por mantenimiento deben ser minimizados. Por ello, es necesario automatizar al máximo los procedimientos de calibración de los distintos aparatos de medida que componen el banco. Con este fin, se desarrollaron procedimientos semiautomáticos de calibración, que se controlan desde la aplicación software. Estos procedimientos de calibración hacen uso intensivo de las funcionalidades del MAX y su base de datos.
Otra herramienta muy útil a la hora de depurar la aplicación en su conjunto ha sido el Distributed System Manager, que permite monitorizar en tiempo real el estado de todos los dispositivos de medida presentes en la red, así como las variables compartidas en la red.
Otro elemento más a la hora de elegir National Instruments para implementar la solución al reto es la seguridad que da el soporte de National Instruments. En sistemas que han de funcionar ininterrumpidamente durante años, es crucial disponer de un proveedor de confianza.
Los productos National Instruments han contribuido en gran medida al éxito de este proyecto. Por un lado, gracias al empleo de las tarjetas PCI de National Instruments, hemos conseguido concentrar en un IPC un número muy elevado de sistemas de medida, con la consiguiente reducción de elementos hardware y costes asociados. El sistema CompactRIO, a su vez, nos ha permitido implementar un sistema de control multiproceso en tiempo real de muy elevada resolución y fácilmente integrable con el resto de procesos del sistema.
A nivel software, el empleo de LabVIEW como lenguaje de programación, ha permitido focalizar los esfuerzos de desarrollo en aspectos puramente de proceso, ahí donde nuestra organización tiene conocimiento y puede realmente aportar valor. Gracias a la gran flexibilidad de LabVIEW, la integración de la gran cantidad de dispositivos (tarjetas de instrumentación, fuentes de alimentación, sistemas de control en tiempo real, bus de comunicación EthernetIP, etc.) se ha llevado a cabo de manera muy rápida y sencilla.
Pablo Cerrada González
Robert Bosch España