Sistema de diagnóstico en prensas de embutición

Author(s):
Oscar García - Ingeniero I&D C.A.R.T.I.F. (Centro de Automatización, Robótica y Tecnologías de la Información y Fabricación)
Roberto Arnanz - Ingeniero I&D C.A.R.T.I.F. (Centro de Automatización, Robótica y Tecnologías de la Información y Fabricación)

Industry:
Automotive

Products:
LabVIEW, Data Acquisition

The Challenge:
Diseñar un sistema de diagnóstico automático de fallos para los motores y sistema de engranajes de las prensas de embutición en una línea de fabricación de piezas para la industria del automóvil.

The Solution:
La necesidad de adquirir un gran número de señales y presentar un entorno amigable al usuario ha conducido al diseño de una aplicación bajo Labview™ que permite la visualización en línea de todas las señales del sistema y el diagnóstico mediante el análisis periódico y automático de dichas señales.

Resumen

El Laboratorio de Mantenimiento Industrial de CARTIF ha desarrollado una aplicación de mantenimiento predictivo en entorno Labview para el diagnóstico de fallos en prensas de embutición. Las señales recogidas mediante dos tarjetas de adquisición PCI6071E corresponden a acelerómetros y transductores de variables eléctricas de funcionamiento del sistema. En la implementación de la aplicación se ha utilizado una programación orientada a objetos y una estructura basada en eventos. Esto permite que el sistema de diagnóstico funcione de manera independiente a las consultas realizadas por el usuario bien en el propio PC dedicado al diagnóstico o a través de la red interna.

Artículo
Introducción

El disponer de un buen sistema de mantenimiento de los elementos productivos es una de las fuentes de ahorro de cualquier proceso productivo. Dicho ahorro vendrá originado por la disminución de los tiempos de parada por fallos imprevistos en la maquinaria y por una mayor longevidad de muchos de sus elementos. El mantenimiento predictivo aporta además la posibilidad de mejorar la gestión de las paradas de mantenimiento y el ahorro en los materiales de repuesto, que sólo serán utilizados cuando se tenga constancia de la degradación de la máquina.
En las prensas de embutición sobre las que se ha realizado el presente trabajo el disponer de un sistema de mantenimiento predictivo se hace fundamental debido fundamentalmente a los altos costes de parada, alta disponibilidad necesaria en la línea y los altos coste y tiempo de entrega de alguno de los repuestos.
La línea de prensas estudiada está compuesta de seis prensas de embutición. En la parte superior de la prensa está situado un motor eléctrico de 80 Kw que a través de una polea transmite su giro a un volante de inercia. Cuando se desea embutir una pieza, el volante de inercia se conecta a través de un embrague a un sistema de engranes que es el encargado de transmitir el movimiento hasta el punzón de la prensa. El volante de inercia se utiliza para amortiguar la energía necesaria para mover el punzón y que la variación de velocidad del motor sea la menor posible.
Debido al precio de los engranes, su tiempo de entrega y la dificultad de su sustitución estos serán el elemento principal de estudio en el sistema de diagnóstico implantado. El otro elemento de estudio son los motores eléctricos de corriente continua que generan el movimiento de la prensa.
La aplicación desarrollada permite la visualización y adquisición de datos de funcionamiento de los motores y las prensas en cualquier momento. De forma paralela existe un proceso de toma de datos y análisis de forma periódica que es el encargado de emitir el diagnóstico de la máquina.

La utilización de Labview permite un gran ahorro en el tiempo de diseño por la facilidad de integración de los sistemas de adquisición de datos y la facilidad de diseño de entornos gráficos de usuario amigables. Además la disponibilidad de funciones de comunicación en red entre aplicaciones Labview permite el acceso remoto a los valores más importantes del sistema desde cualquier punto de la factoría.

Sistema de Adquisición de Datos

En cada una de las prensas han sido instalados los siguientes sensores:
- Acelerómetros: se ha colocado un acelerómetro sobre el motor para la detección de fallos en los rodamientos y desequilibrios y otro sobre la estructura de la prensa para vigilar la degradación de los engranajes. Ambos acelerómetros son de tipo ICP con una sensibilidad de 100 mV/g y un rango de funcionamiento de 50 g y 0.5-10 KHz.
- Pinzas amperimétricas: se utilizan para medir las corrientes de alimentación y excitación del motor. Ambas pinzas son de efecto Hall, teniendo la primera un rango de 0-200 Arms y la segunda de 0-25 Arms. La salida generada es en corriente con un rango de 0-100 mA y 0-20 mA respectivamente
- Transductores de tensión: permiten la medición de las tensiones de alimentación y excitación del motor por efecto Hall en un rango de 0-600 Vrms. La salida generada es una corriente de 0-100 mA.
Además de las señales recogidas con estos sensores se utiliza para la medición de la velocidad una de las salidas analógicas del variador de velocidad que alimenta el motor.
Todas estas señales se llevan hasta un armario situado en cabecera de la línea de prensas en el que se ha instalado un PC industrial con dos tarjetas de adquisición PCI 6071E de National Instruments y los sistemas de alimentación y adaptación de señal de los acelerómetros.
El elemento de conexión a cada una las tarjetas de adquisición es un bornero SCB-100, que permite la instalación de las resistencias de medida apropiadas para las señales en corriente y de carga para las medidas en tensión.

Además de las señales anteriormente mencionadas se utiliza una señal de disparo para la toma de datos que es coincidente con el accionamiento del embrague del sistema de engranajes. Tendremos así un pulso durante todo el periodo en que se mueve el punzón de la prensa.
Tenemos así un total de ocho señales analógicas para cada una de las prensas, una de las cuales se utiliza como disparo, ya que en las tarjetas PCI6071E cualquiera de las entrada analógicas puede realizar esta función. Esto hace un total de 48 señales analógicas que se dividen en dos grupos de tres prensas, asignándose uno a cada tarjeta.
Por último en cada una de las tarjetas se utilizan una línea digital para la conexión y desconexión de la fuente de alimentación de los sensores de cada una de las prensas.
La configuración y calibración de todas estas señales se ha realizado con la ayuda del Measurement and Automation Explorer, que ha permitido de una manera rápida la comprobación de su correcto funcionamiento.

Aplicación Labview

La arquitectura de la aplicación desarrollada puede resumirse en los siguientes bloques funcionales que aparecen en la Figura 1:
- Gestor de tareas: contiene la interfaz gráfica de usuario y gestiona el arranque y parada del resto de aplicaciones bien sea por solicitud del usuario o según una configuración establecida.
- Monitor de estado: se lanza por petición del usuario y permite visualizar en línea el estado de todas las variables del sistema. Se puede elegir entre la visualización de valores medios en forma de display (Figura 2) o una representación gráfica de las señales. También ofrece la posibilidad de grabación en disco de cualquier conjunto de variables y la lectura de los ficheros grabados.
- Menús de configuración: permiten al usuario configurar el análisis que va a realizar el sistema de diagnóstico. Los parámetros que se puede seleccionar son, entre otros, las frecuencias de muestreo, longitud de la muestra, frecuencia de los análisis, tipos de análisis disponibles, tipos de rodamientos para el análisis de los motores, umbrales de detección de fallos... En la Figura 3 se muestra un ejemplo de configuración de los grupos de señales a muestrear y diagnosticar.
- Captura de datos periódica: puede ser puesto en marcha o parado por el usuario en cualquier momento. Se crea como un proceso hijo del gestor de tareas e independiente de él, de forma que queda trabajando en background, activándose únicamente en el momento que deba grabar datos según la configuración elegida por el usuario.
Diagnóstico de fallos: cuando el análisis es activado por el usuario, el gestor de tareas lanza este proceso cada vez que el programa de captura de datos anteriormente mencionado graba un fichero en disco. También éste se crea como un proceso hijo del gestor de tareas funcionando en background. El diagnóstico programado consiste en un análisis de la vibración a través de valores globales y de la evolución del valor de determinadas frecuencias características de fallo. También se ha introducido para el diagnóstico de los motores un sistema de diagnóstico basado en el modelo que utiliza las variables eléctricas recogidas. Cuando se detecta un fallo es transmitido al gestor de tareas que es el encargado de mostrarlo al usuario.

El desarrollo de la aplicación se ha llevado a cabo mediante programación orientada a objetos. La información transferida entre los distintos procesos se realiza mediante un objeto que se pasa por referencia a las distintas funciones. Dicho objeto contiene la información relevante de todo el proceso tal como el estado de las tarjetas de adquisición, ficheros pendientes de análisis, fallos detectados en el sistema, recursos compartidos... Para obtener acceso a dicho objeto se han definido una serie de funciones públicas que pueden leer o modificar el contenido del mismo. Tanto la definición del objeto como de las funciones para manejarlo se ha realizado con la ayuda del Labview GOOP Wizard (Figura 4).

Cada uno de los bloques anteriormente explicados se ha desarrollado con una programación orientada a eventos. Estos pueden producirse mediante interacción con el usuario a través del Panel de Control o por cambios que se introduzcan en el objeto compartido el resto de los bloques.

Las configuraciones se almacenan en ficheros tipo ‘.ini’ aprovechando las funciones que integra Labview para su gestión. Esto permite, además de una fácil estructuración de la información configurable, tener en todo momento accesibles los ficheros de configuración en modo texto. Durante el desarrollo de la aplicación este método es muy útil, ya que permite una rápida configuración o modificación del sistema simplemente editando el fichero.

Dado que la aplicación desarrollada se pretende implantar en planta con un funcionamiento continuo es necesario el almacenamiento periódico del estado del sistema para poder restaurarlo ante cualquier problema. Por ello el objeto compartido por las aplicaciones, y que contiene toda la información relevante, es almacenado por el gestor de tareas de forma periódica pero evitando una sobrecarga del sistema. Al iniciar la aplicación se cargará el archivo de guarda de estado y se reanuda el proceso en el punto en que se hubiera interrumpido.

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Oscar García
Ingeniero I&D C.A.R.T.I.F. (Centro de Automatización, Robótica y Tecnologías de la Información y Fabricación)

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