Sistema de Control Multiensayo y Multipuesto de Ensayos de Suelos

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"A través del LabVIEW, hemos podido integrar múltiples motores que trabajan controlando presiones, fuerza, volumen, desplazamiento y deformación."

- C. Blazquez, Proetisa

The Challenge:
Diseñar y fabricar un hardware, controlado por un software, que nos permita ejecutar de forma totalmente automática ensayos de mecánica de suelos. Este tipo de ensayos precisaba la presencia de un operador humano que realizaba una serie de pasos, y tomaba una serie de decisiones, en función de los resultados y medidas obtenidos por los sensores (cuando estos existían). El control y monitorización de los ensayos obligaba a la presencia de un operador. La sustitución de este por el nuevo hardware + software nos obliga a sincronizar la adquisición de datos, realizada a través de múltiples sensores, con las órdenes dadas a múltiples motores que a su vez condicionan la respuesta de los sensores (adquisición).

The Solution:
Utilizar hardware de National Instruments, tarjetas PCI y PCIe, para el multicontrol y toma de datos. Desarrollar una aplicación en LabVIEW con múltiples PID de control, que trabajen de forma simultánea e independiente y que faciliten una respuesta rápida frente a las lecturas de los sensores de forma que sean capaces de mantener y/o alcanzar Los setpoints fijados. El software permite relacionar las lecturas obtenidas de la toma de datos con “eventos” que activarán las salidas digitales que controlan el hardware. El software y hardware deben permitir integrar múltiples sistemas a la vez de forma que el control sincronizado e independiente, y la adquisición, se realice en tiempo real sin pérdida de información o deterioro de la muestra ensayada. El sistema estándar incorpora dos tarjetas 6323 y dos tarjetas 6221 ó 6321 que operan con 8 PIDs de forma independiente (ampliables a “n”) todo bajo una única plataforma de LabVIEW.

Author(s):
C. Blazquez - Proetisa
Daniel Murmann - LabVIEW Consultant (NI Alliance Partner)

Artículo

El proyecto SOILMATIC consiste en el desarrollo de una nueva generación de equipos para ensayos de mecánica de suelos. Estos equipos deben sustituir a los ya existentes que obligan a la presencia de un operador que ejecuta y controla los ensayos durante la realización de los mismos. El operador debe llevar a cabo una toma de datos, que en algunos casos si está informatizada, debe poner en marcha, paro o pausa los equipos y, actuar sobre estos a lo largo de los ensayos tomando decisiones en función de los datos obtenidos.

La nueva generación de equipos de SOILMATIC permite llevar a cabo todas estas operaciones de forma totalmente automática, sin mediación de un operador externo. El software debe controlar una serie de motores que alcanzan y mantienen valores de setpoint de fuerza o presión. Al mismo tiempo, deben actuar sobre un segundo grupo de motores que generan fuerzas que podrían hacer variar los setpoint de presión o fuerza programado. Por último, existe un tercer grupo de motores que deben actuar a una velocidad constante, durante un recorrido predeterminado. Todo este conjunto de motores actúan de forma simultánea sobre una muestra provocando una serie de efectos que se registran en tiempo real mediante sensores de fuerza, deformación, presión y volumen.

Todo el conjunto pretende simular las condiciones y comportamiento de una muestra de un suelo en un medio sometido a unas condiciones predefinidas.

Descripción del Sistema

Hardware

El sistema puede constar, dependiendo del ensayo a realizar, de uno, o dos puente/s de medida formado por dos, o cuatro, columnas más un bastidor que contiene la electrónica, la caja, o cajas, reductora/s, uno, o dos, sistema/s de poleas y uno, o dos, husillo/s con, o sin, plato, además de los motores que operan el sistema. Estos motores, dependiendo de su función se pueden agrupar en tres grupos:

Motores que actúan como mantenedores de presión, utilizan un émbolo y un carril. El émbolo comprime un líquido y la presión del líquido se mide mediante captadores de presión. El software actúa sobre salidas digitales que obligan al motor a avanzar, retroceder o parar, haciendo a su vez avanzar, retroceder o parar al émbolo. Al mismo tiempo mide el volumen de líquido que entra o sale del pistón.

Motores que actúan como mantenedores de carga utilizan una reducción y actúan sobre un husillo. El husillo avanza o retrocede comprimiendo la muestra. La fuerza aplicada se mide mediante transductores de fuerza. El software actúa sobre salidas digitales que obligan al motor a avanzar, retroceder o parar, haciendo a su vez avanzar, retroceder o parar al husillo.

Motores que actúan como motores verticales / horizontales pueden utilizar reducciones diferentes, dependiendo de la capacidad que se precise, y actúan sobre un husillo. El husillo avanza o retrocede a una velocidad prefijada hasta que recorre una distancia prefijada. El software actúa sobre salidas digitales que obligan al motor a avanzar, retroceder o parar, haciendo a su vez avanzar, retroceder o parar al husillo. Al mismo tiempo mide la distancia recorrida por el husillo mediante un encoder de pulsos. Posee una cuarta salida digital que activa el movimiento de motor mediante pulsos. De esta manera se consiguen velocidades muy bajas de ensayo cuando estas son precisas.

Las entradas analógicas del las tarjetas de National se utilizan para registrar las lecturas de los sensores de presión, deformación y fuerza.

Hardware de NI.

Las salidas analógicas de las tarjetas se utilizan para controlar la velocidad de los motores.

Las entradas analógicas de las tarjetas se utilizan para la toma de datos y el control.

Las salidas digitales se utilizan para avanzar, retroceder, parar o activar el control por pulsos

Los contadores se utilizan para, a través de encoder, posicionar motores, definir velocidades o medir volumen de líquidos.

Sistema de Control

Tal y como ya hemos comentado el control se base en productos de National Instruments.

Una tarjeta PCIe-6323, mediante salidas analógicas, se emplea para controlar cuatro motores que son los que definen los cuatro mantenedores de presión que precisa el sistema. Las salidas digitales se utilizan para avanzar, retroceder y parar los motores. Los contadores se utilizan para, mediante encoders, medir volumen de líquidos. Cuatro de las entradas analógicas se emplean para registrar las lecturas de los captadores de presión asignados a los mantenedores de presión. Las lecturas registradas por los captadores son procesadas por la aplicación, creada con LabVIEW, y el PID activa las salidas digitales para que motor avance, retroceda o pare en función del setpoint fijado y el valor registrado por el sensor de presión.

Una tarjeta PCI-6221 o PCIe-6321, mediante salidas analógicas, se emplean para controlar dos motores que son los que definen los dos mantenedores de carga que precisa el sistema. Las salidas digitales se utilizan para avanzar, retroceder y parar los motores. Dos de las entradas analógicas se emplean para registrar las lecturas de los transductores de fuerza asignados a los mantenedores de carga. Las lecturas registradas por los transductores de fuerza son procesadas por la aplicación, creada con LabVIEW, y el PID activa las salidas digitales para que motor avance, retroceda o pare en función del setpoint fijado y el valor registrado por el transductor de fuerza.

Una tarjeta PCI-6221 o PCIe-6321, a través de las salidas analógicas, también se emplean para controlar otros dos motores. Uno como mantenedor de carga  y otro como motor horizontal / vertical. Las salidas digitales se utilizan para avanzar, retroceder y parar los motores. Una de las entradas analógicas se emplea para registrar las lecturas del transductor de fuerza asignado al mantenedor de carga. Uno de los contadores se emplea, a través de un encoder, para posicionar el motor horizontal / vertical.

Una tarjeta PCI-6221, mediante salidas analógicas, controla un motor horizontal / vertical que precisa el sistema. Las salidas digitales se utilizan para avanzar, retroceder y parar el motor. También emplea una cuarta salida digital que se utiliza para activar un control por pulsos de motor. Esta se emplea cuando se precisan velocidades de ensayo muy bajas, velocidades de 0,00005 mm/min. Uno de los contadores se emplea, a través de un encoder, para posicionar el motor horizontal / vertical.

El sistema registra las lecturas en tiempo real de cinco captadores de presión, cuatro transductores de fuerza y cinco transductores de deformación. Además, a través de los contadores de las tarjetas mide el volumen de líquido de cuatro conjuntos pistón / émbolo y la distancia recorrida de dos motores horizontal / vertical.

Software LabVIEW

Se ha programado una aplicación en entorno de LabVIEW. La aplicación nos permite:

Definir, configurar y calibrar los sensores a emplear

Definir y seleccionar las salidas y entradas analógicas, las salidas digitales y los contadores de entrada y salida.

Programar cualquier secuencia de temporización para la toma de datos.

Configurar los mantenedores de presión de forma totalmente independiente, con su propio rango de tensión y PID. Programar para un mismo mantenedor distintos setpoints de presión y relacionar estos con secuencias de tiempo y/o escalones temporales. Ver imagen 1.

Configurar los mantenedores de carga de forma totalmente independiente, con su propio rango de tensión y PID. Programar para un mismo mantenedor distintos setpoints de carga y relacionar estos con secuencias de tiempo y/o escalones temporales. Ver imagen 2.

Configurar los motores horizontales / verticales de forma totalmente independiente y seleccionar su modo de trabajo. Velocidad (analógica, contador o mixta). Ver imagen 3 y 4.

 

 

Generar / programar eventos independientes con acciones asociadas a los mismos y relacionados con la toma de datos. Ver imagen 5.

 

 

 

Todos los ensayos, registros y datos, se almacenan en una base de datos gestionada a través de la aplicación de LabVIEW programada. La aplicación permite estudiar y post-analizar los resultados obtenidos.

Todo se controla con un único ordenador PC, donde se han instalado las tarjetas de National Instruments y donde se almacenan / registran los datos de los sensores. El software también posee una herramienta de rescate que permite reanudar los ensayos, si así se desea, tras un corte de luz.  

Sistemas Auxiliares

Estarían constituidos por la instalación eléctrica y el suministro de agua des-aireada.

Conclusiones

LabVIEW ha resultado ser una herramienta fundamental e imprescindible para el desarrollo de la aplicación EDS que, junto con el hardware de National Instruments, nos ha permitido desarrollar los equipos de la serie SOILMATIC e integrar, en un único sistema, diferentes equipos y sensores reduciendo de forma considerable los costes de producción.

El sistema ha sido diseñado de tal forma que será muy simple si fuese preciso, en un futuro, añadir otros sensores, o equipos para el control. Hoy hemos desarrollado sistemas triaxiales y, en un futuro cercano, desarrollaremos sistemas cíclicos de ensayo.

Información de los Autores:
C. Blázquez – Proetisa
Daniel Murmann – LabVIEW Cons ultant (NI Alliance Partner)

España

Author Information:
C. Blazquez
Proetisa

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