Controlador CM400 12 Canales para Ensayo Actuadores de Aeronaves de Transporte de Nueva Generación

Author(s):
Mapro Sistemas de Ensayo - MAPRO
Mapro Sistemas de Ensayo - MAPRO

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
PCI-6723, PCI-6221, Real-Time Module, LabVIEW, SCXI, PCI-6509, PCI-8431/8

The Challenge:
Desarrollar, para el sector aeronáutico, un controlador multicanal en tiempo real de 12 canales para su utilización en 4 bancos de ensayos separados, realizando diferentes tipos de ensayos, incluyendo adaptaciones para control climático del ensayo.

The Solution:
Mapro tiene una gran experiencia en la programación de LabVIEW. Hace unos años se planteó la necesidad de desarrollar un servocontrolador digital, con prestaciones tiempo real. La solución fue utilizar LabVIEW Real Time como herramienta que unifica la programación gráfica y la gestión avanzada de procesos en tiempo real.

¿Qué es tiempo real?

A menudo utilizamos la terminología “tiempo real” de forma incorrecta porque el concepto no es demasiado claro. Se tiende a confundir dicho concepto con “alta velocidad”, esto no es totalmente correcto.

Cuando utilizamos el concepto “tiempo real” en un proceso o en un programa informático nos estamos refiriendo a que tenemos un determinismo. Esto quiere decir que tenemos la seguridad de que un evento se va a dar en un tiempo determinado, no se va a ejecutar antes ni después del tiempo previsto. Evidentemente un sistema de procesado rápido puede obtener un determinismo en escalas temporales menores, pero no es una condición suficiente.

El determinismo es necesario cuando es de importancia crítica responder a un evento en un tiempo muy preciso. Algunos ejemplos podrían ser controlar el tiempo de exposición de un reactivo a un producto químico, tomar una medida a una determinada frecuencia o controlar un proceso mediante un lazo cerrado.

En el último caso es de vital importancia hacer todo el proceso de control en un tiempo determinado, pues si no se pueden producir perdidas de control o inestabilidades. El proceso consta de la adquisición de las señales de los sensores de control, el cálculo de la consigna, cálculo del algoritmo de regulación y generación analógica.

El determinismo se puede conseguir mediante hardware o software. La primera aproximación, por hardware, es totalmente válida. Se resuelve utilizando componentes integrados no programables que realizan la tarea para la que han sido diseñados. Su ventaja es su perfecto funcionamiento, pero con la desventaja de no ser flexibles para una nueva aplicación, que requeriría un nuevo montaje.

El determinismo software se basa en que el proceso se ejecuta en un entorno de tiempo real. O sea que el mismo hardware en que se ejecuta permite este tiempo de ejecución (mediante interrupciones, por ejemplo) o bien, hablando de una capa superior, que el sistema operativo que hay por encima soporta tiempo real. Si es así es el mismo sistema operativo el que está programado de manera que es capaz de gestionar los procesos y las interrupciones garantizando determinismo. Obtener tiempo real mediante software ofrece las mayores ventajas de flexibilidad, ya que facilita su adaptación y mantenimiento con cambios que no implican al hardware.

En la actualidad hay varios sistemas operativos y entornos que ofrecen determinismo. Clásicamente eran entornos que operaban en bajo nivel y con el tiempo se han ofrecido soluciones en alto nivel, como por ejemplo el lenguaje C. National Instruments dio un paso más ofreciendo tiempo real en un entorno de desarrollo gráfico de muy alto nivel, LabVIEW. Por ello fue la herramienta elegida para desarrollar nuestro controlador CM400, toda la facilidad y flexibilidad de programación de LabVIEW unida a la potencia ofrecida por el determinismo, crítico en nuestra aplicación de control.

El segundo punto importante de un sistema tiempo real es su robustez. Hay que garantizar la disponibilidad del sistema en todo momento y que el determinismo se mantenga durante toda la vida de ejecución, lo que no pasa con sistemas convencionales.

 

El CM400

El servocontrolador digital CM400 fue diseñado como una plataforma de control multicanal para actuadores hidráulicos. Basado en LabVIEW Real Time se han hecho implementaciones en versiones PCI y PXI, siempre acompañados por el acondicionamiento de señales SCXI. Las soluciones de National Instruments fueron las escogidas, debido a la posibilidad que ofrece de convertir tanto un PXI como un ordenador en un sistema de control en tiempo real, la posibilidad de programar en un lenguaje de muy alto nivel que es LabVIEW e incorporar todo su conjunto de drivers y librerías que facilitan enormemente la tarea y, finalmente, la modularidad que ofrece a la hora de adaptarse a un gran conjunto de sensores, seleccionando las tarjetas SCXI adecuadas.

 

El controlador se ubica en un armario eléctrico donde está el resto de electrónica necesaria para el funcionamiento del sistema (amplificadores de potencia, alimentación de sensores, etc.). El controlador se comunica con una (o varias) estaciones de usuario donde se editan los ensayos, se lanzan y se monitorizan, permitiendo interactuar con el ensayo en marcha.

En el ámbito de arquitectura interna de software, el núcleo central del controlador es un proceso en tiempo real que controla el movimiento del actuador y hay toda una periferia “no-tiempo real” que controla el secuenciador de ensayo, la central hidráulica, el envío de información al host, etc.

El proceso en tiempo real contiene un generador de funciones que es capaz de generar virtualmente cualquier tipo de onda generada previamente en un editor (incluyendo señales pseudo-aleatorias y basadas en densidad espectral de potencia), adquisición de los sensores de control y medida (mediante las librerías DAQmx que proporcionan control en tiempo real “punto a punto”), un algoritmo de control automático de ganancia, un algoritmo de regulación (basado en un PID avanzando con doble lazo y “feed fordward”), y una generación analógica. Además se guardan todos los datos necesarios en variables intermedias para la comunicación con los procesos “no en tiempo real”.

El resto de programa funciona en un nivel de prioridad distinto y sólo se ejecuta cuando el proceso en tiempo real no necesita de la utilización del procesador. Así se controla el secuenciador de test, capaz de ejecutar un test lineal o con bifurcaciones en respuesta a diferentes eventos internos o externos, el gestor de ejecución de la instalación (central hidráulica, válvulas), la grabación de datos a disco y la trasmisión de datos y comunicación con el host para el control y supervisión del ensayo.

Toda comunicación del controlador con el exterior se lleva a cabo por una conexión Ethernet estándar (no es necesaria ninguna comunicación en tiempo real, ya que es el CM400 el que ejecuta el proceso). Una vez se ha lanzado el ensayo y si no se desea ver el funcionamiento del ensayo o éste es demasiado largo, el host de usuario se puede apagar; el controlador seguirá ejecutando toda la secuencia programada e irá guardando los datos para su posterior recuperación.

Adaptaciones y aplicación

El CM400 fue elegido por nuestro cliente (CTA, Centro de Tecnologías Aeronáuticas) por varios motivos. En primer lugar porque su necesidad era un controlador multicanal capaz de controlar hasta 12 actuadores trabajando simultáneamente en 4 bancos de ensayo. Este requerimiento estaba satisfecho por el propio concepto de construcción del CM400, incluyendo la posibilidad de operarlo desde 4 hosts de usuario independientes.

En segundo lugar, CTA tenía ciertos requerimientos específicos que no se encontraban en otros controladores, ni en el nuestro pero, a diferencia de otros equipos de mercado, el nuestro no es un equipo cerrado.

Nosotros somos una ingeniería y somos capaces de adaptar el sistema para alcanzar las necesidades exactas del cliente (y que no tenga que ser a la inversa). En este caso se necesitó personalizar la aplicación para controlar una cámara climática, para que dos canales pudieran cambiar su frecuencia de forma simultánea, posibilidad de ejecutar ensayos en modo tiempo y en modo F(x) simultáneamente y algunos otros añadidos menores.

Este hecho diferencial nos hizo ganar el proyecto y Mapro, gracias a la versatilidad ofrecida por LabVIEW y su sistema en tiempo real por software, pudo implementarlo dentro del núcleo CM400 de forma eficaz y sin tener que partir de un nuevo desarrollo.

Además, toda la parte de actuación hidráulica también ha estado realizada por Mapro, proveyendo a CTA del conjunto de cilindros y manifolds necesarios.

El equipo consta de un total de 8 bancos (4 tipo ‘a’ y 4 tipo ‘b’) utilizados para el ensayo de actuadores hidráulicos de una aeronave de trasporte de nueva generación, permitiendo ejecutar hasta 8 ensayos simultáneos controlando 12 actuadores. El banco de ensayo está descrito en la solicitud de patente numero 200200553 presentada por la Fundación Centro de Tecnologías Aeronáuticas.

 

Los bancos tipo ‘a’ constan de dos actuadores sincronizados funcionando en modo tiempo. Los actuadores hacen presión contra un multiplicador  donde se genera una presión del circuito de skydrol que va a parar a cada una de las cámaras del actuador ensayado. Se permiten programar perfiles mediante rampas o medio senos para conseguir las curvas de presión deseadas en cada una de las cámaras. También es posible acelerar simultáneamente ambos perfiles para obtener la respuesta deseada de forma más rápida y sincronizada en ambas cámaras.

Los bancos tipo ‘b’ funcionan en modo F(x). En este caso se controla un actuador de carga que ejecuta un esfuerzo en función de la posición sobre el actuador de ensayo. De esta manera se simula el esfuerzo a que es sometido el actuador en su funcionamiento real, medidas o simuladas previamente. Además se controlan las válvulas que abren y cierran el paso hacia las cámaras del actuador testeado, y lo va realizando cíclicamente.

 

Conclusiones

El CM400 es un controlador en tiempo real que ha demostrado su funcionalidad en diversas aplicaciones. Su aplicación principal ha sido el campo de la automoción, en la realización de ensayos de fatiga, vibración y caracterización. En este caso hemos sido capaces de realizar un controlador especialmente adaptado a los requerimientos de la industria aeronáutica, demostrando así su flexibilidad y capacidad, en un entorno altamente exigente y con una aplicación de dificultad considerable.

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