Wyzwanie

W celu zwiększenia zdolności testowych, firma Eaton podjęła decyzję o budowie kolejnego stanowiska do testów wytrzymałościowych, przy użyciu osprzętu w postaci kontrolera c-RIO 9045, falownika ACS880 oraz oprogramowania LabView 2016.  Sterowanie istniejących stanowisk było rozproszone pomiędzy platformą SCXI i c-RIO. Bazowy kod źródłowy oprogramowania był już wielokrotnie modyfikowany i uzupełniany o nowe funkcjonalności i w efekcie nie nadawał się w do bezpośredniego przeniesienia na nowe stanowisko testowe.

Zadanie polegało na gruntownej przebudowie kodu tak, aby mógł on pracować na jednej platformie sprzętowej (c-RIO) z zachowaniem dotychczasowej funkcjonalności. Zastosowanie nowych układów wykonawczych spowodowało, że kod musiał zostać rozwinięty o komunikację EtherCAT oraz przebudowany w zakresie m.in. regulatorów PID (odpowiedzialnych za kontrolę ciśnienia doładowania i prędkości sprężarki), kontroli sprzęgła elektromagnetycznego, sposobu logowania danych testowych, wprowadzania zmian na edytorze profili i w interfejsie użytkownika.

O firmie Eaton

Firma Eaton od ponad 30 lat dostarcza dla producentów samochodów wyporowe sprężarki śrubowe w technologii TVS. Niegdyś stosowane wyłącznie jako część układu doładowania w celu podniesienia mocy silnika, w obecnych czasach są wykorzystywane do realizacji zaawansowanych strategii spalania, takich jak spalanie warstwowe, ultra-ubogie i spalanie HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition), pozwalając na spełnienie norm emisyjnych i redukując zużycie paliwa (więcej informacji na stronie). Można je znaleźć zarówno w trzycylindrowych silnikach o pojemności skokowej 1000cm3 jaki i w potężnych silnikach o mocy 755 koni mechanicznych i pojemności 6200 cm3. W zależności od aplikacji mogą one przetłaczać od 180 do 2650cm3 powietrza na jeden obrót rotora, a maksymalne prędkości obrotowe rotorów osiągają 24000 RPM. Stopień sprężania powietrza dochodzi do wartości 2.5, a szczytowa sprawność izentropowa przekracza 70%.

Uniwersalność sprężarek TVS, jak i ich wysokie osiągi, są efektem wielu lat doskonalenia ich konstrukcji. Wraz z optymalizacją mechaniczną, sprężarki były wyposażane w dodatkowe podzespoły tj. sprzęgło elektromagnetyczne, wewnętrzne przekładnie zębate, przepustnice, czujniki parametrów powietrza itp. Dla niektórych aplikacji sprężarka został na tyle rozbudowana, że stanowi ona kompletny system doładowania, wyposażony w osprzęt wykonawczy, czujniki oraz zintegrowany układ chłodzenia powietrza.

Istotnym etapem rozwoju konstrukcji sprężarek są testy walidacyjne. Ich celem jest potwierdzenie wpływu wprowadzanych zmian m.in. na żywotność sprężarki i jej podzespołów (sprzęgieł, czujników). Testy wytrzymałościowe prowadzone na dedykowanych stanowiskach rozwijanych przez firmę EATON muszą symulować warunki pracy występujące na silniku spalinowym przez okres od kilku do kilkunastu tygodni. Test ten musi być wykonywany w pełni automatycznie w trybie 24/7. Z tego powodu system sterujący stanowiska musi kontrolować wszystkie układy sprężarki, realizować w sposób powtarzalny profil testu, monitorować i zbierać parametry robocze (tj. prędkości obrotowe, ciśnienia, temperatury itp.) oraz w przypadku ich przekroczenia odpowiednio reagować.

Rozwiązanie

Cześć mechaniczna i infrastrukturalna całego rozwiązania była wykonana przez zespół inżynieryjny Eaton. Integrację programową oraz elektryczną wykonanała firmę Optinav na podstawie wymagań zdefiniowanych przez Eaton.

Stanowisko do testów wytrzymałościowych pod względem mechanicznym bazuje na jego odpowiedniku z lat 90. Uniwersalność mechaniczna stanowiska sprawia, że nie ma konieczności jego modyfikacji. Składa się ono z płyty bazowej stanowiącej miejsce montażu silnika elektrycznego oraz stołu testowego, na którym za pośrednictwem dedykowanego oprzyrządowania, mocowane są różnego typu sprężarki. Napęd pomiędzy sprężarką a silnikiem elektrycznym odbywa się identycznie jak na silniku spalinowym, tzn. za pośrednictwem przekładni pasowej o stałym przełożeniu dla danej sprężarki. Naciąg pasa realizowany pneumatycznie pozwala na dostosowanie jego wartości dla danej aplikacji.

Część elektryczna została dostosowana do najnowszych wymagań testowych. Moc silnika elektrycznego dobrano tak, aby bez problemu mógł on napędzać sprężarki z całej rodziny produktowej oraz realizować szybkozmienne profile prędkości. Zastosowanie przekładni pasowej pozwoliło na montaż silnika elektrycznego o standardowym zakresie prędkości obrotowych, jednak pociągnęło  za sobą konieczność regulacji ciśnienia w układzie napinacza pasa, implementacji logiki sterowania oraz wykrywania ewentualnych usterek. Ponadto konieczne stało się przeprowadzanie „Kalibracji prędkości” mającej na celu wyliczenie wartość przełożenia. Parametr ten jest kluczowy do poprawnego sterowania prędkością i jest kalkulowany przed każdym testem automatycznym. W trakcie testu nad prędkością sprężarki czuwa pracujący w pętli sprzężenia zwrotnego regulator PID.

Rozwiązanie cd.

Podobne podejście zastosowano w przypadku układu regulacji ciśnienia doładowania. Z racji tego, że może on pracować ze sprężarkami o skrajnych przepływach, konieczne było wprowadzenie „kalibracji ciśnienia” mającej na celu wypracowanie wartości startowej układu wykonawczego dla każdego punktu testowego. Wartości z kalibracji przechowywane w tablicy wykorzystywane są jako wartości startowe regulatora PID kontroli ciśnienia. Wyjście regulatora został ograniczone, aby uniknąć przestrzałów wartości ciśnienia doładowania podczas strojenia nastaw regulatorów lub w sytuacji niepoprawnego pomiaru ciśnienia doładowania (spowodowanej np. rozszczelnieniem się instalacji).  Oprócz kontroli prędkości i ciśnienia doładowania, na stanowisku kontrolowany jest sposób załączania sprzęgła elektromagnetycznego z wykorzystaniem zdefiniowanych profili prądowych. W trakcie załączenia sprzęgła konieczne jest zbieranie informacji o parametrach jego pracy. Zadanie to zrealizowano poprzez zastosowanie zapisu do plików w formacie „.tdms”.

Wraz ze zbieranymi na żądanie danymi szybkozmiennymi, wszystkie pozostałe, mierzone na stanowisku testowym parametry tj. temperatury, ciśnienia, prędkości obrotowe, napięcia i prądy oraz odpowiednie kalkulacje są zapisywane cyklicznie do pliku „.csv”. Innym plikiem generowanym przez oprogramowanie jest plik statusowy systemowy gromadzony w formacie „txt.” oraz wyświetlany na interfejsie użytkownika.

Stanowisko testowe jest złożonym układem mechaniczno–elektryczno-pneumatycznym, dlatego system kontroli parametrów został znacząco rozbudowany w celu bezpiecznego zatrzymania stanowiska. Kontroli podlegają parametry prędkości i ciśnienia doładowania, które zostały zabezpieczone limitem lokalnym (tzn. różnica pomiędzy nastawą, a wartością rzeczywistą nie może być większa niż określona wartość). Ponadto wszystkie wartości mierzone zabezpieczono limitami globalnymi (tzn. przekroczenie wartości max lub min skutkuje zatrzymaniem stanowiska). Brak takiej funkcjonalności mógłby powodować uszkodzenie obiektu badanego spowodowanego niepoprawną pracą stanowiska.

Komora testowa została wyposażona w układ bezpieczeństwa uniemożliwiający wejście do niej podczas pracy. Dodatkowo, z poziomu aplikacji, wprowadzono funkcjonalności bezpiecznego (programowego) lub awaryjnego (fizycznego) zatrzymania stanowiska testowego, oraz możliwość kontynuacji testu od miejsca jego przerwania.

Powyżej opisaną funkcjonalność stanowiska uzyskano poprzez gruntowną przebudowę dwóch aplikacji współpracujących ze sobą w trybie rzeczywistym. Pierwsza z nich, pracująca na c-RIO, jest odpowiedzialna za kontrolę procesów szybkozmiennych oraz kondycjonowanie kanałów. Druga, zainstalowana na komputerze PC, tworzy panel operatora.

Korzyści

Budowa nowego stanowiska do testów wytrzymałościowych jest złożonym projektem wymagającym koordynacji działań w wielu aspektach (przygotowanie infrastruktury, konstrukcji i wykonania mechanicznego, instalacji/złożenia stanowiska, przygotowania i instalacji elektryki oraz systemów bezpieczeństwa i finalnie wdrożenie części sterującej i akwizycji danych).  Współpraca z firmą Optinav w zakresie przygotowania Instalacji Elektrycznej, Bezpieczeństwa, Sterowania i Akwizycji danych zaowocowała powstaniem stanowiska spełniającego założone wymagania i zdolnego do testów wytrzymałościowych sprężarek zgodnie ze standardami firmy Eaton.  Integracja kodu sterującego stanowiskiem do jednej platformy (cRio) oraz jego aktualizacja zgodnie z nowymi wymagania jak i bieżącymi standardami programowania pozwoliła na uruchomienie stanowiska i rozpoczęcie prowadzenia testów w możliwe najkrótszym czasie.

Zapytaj o wycenę systemu:

E-mail: office.optinav@zeiss.com
Tel.: +48 59 3070670