Simulatore della strada su rulli rotanti per prove di fatica reale dei componenti meccanici in autobus, camion e rimorchi

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"E' stata realizzata una soluzione altamente efficiente per prestazioni deterministiche, sicurezze ridondate ed economia di installazione e manutenzione."

- Stefano Vianelli, EURINS

The Challenge:
Realizzare l’intero sistema di automazione e di acquisizione dati per un impianto di test capace di sottoporre i veicoli pesanti a reali situazioni di lavoro gravoso per studiarne le criticità meccaniche.

The Solution:
Sviluppare un’architettura basata su un nodo NI PXI Real-Time, tre nodi NI CompactRIO e un computer con OS Windows per distribuire misure, calcoli e attuazioni nei punti strategici del sistema minimizzando i cablaggi e localizzando l’intelligenza.

Author(s):
Stefano Vianelli - EURINS

Caratteristiche del sistema
Un veicolo pesante può essere sottoposto a prove di fatica simulando la strada posizionandone le ruote di un asse sopra una coppia di rulli affioranti dal pavimento che, ruotando fino alla velocità di 100 km/h spinti da motori elettrici indipendenti, trascinano o frenano l’intera meccanica di un rimorchio oppure l’intera “driveline” (dalle ruote al motore) di una motrice o di un autobus. Il veicolo può inoltre muoversi trasversalmente rispetto all’asse longitudinale dell’impianto, utilizzando porzioni diverse delle superfici dei rulli, il cui diametro di 3 metri fornisce una superficie di contatto e un’inerzia adatte alla simulazione della strada.

Grazie alla gestione indipendente delle velocità dei singoli rulli e grazie al montaggio delle placche metalliche  su parte della loro superficie con le quali si simulano le asperità della strada quando le ruote passano sopra, è possibile realizzare una molteplicità di test riassumibili nelle seguentiquattro principali applicazioni:
• Simulazione del carico strada
o Il veicolo è attivo sui rulli, quindi è un camion o un autobus, trascinandoli con le proprie ruote motrici spinte dal proprio motore. I rulli, frenati dai motori elettrici collegati ai drive di potenza, oppongono una resistenza coerente con quella che il veicolo avrebbe se fosse su strada, quindi il carico di lavoro richiesto alla meccanica del veicolo è controllabile e ripetibile.
• Profili di velocità
o Il veicolo è passivo sui rulli che, spinti dai motori elettrici, trascinano le ruote di un'asse a velocità predefinite in un profilo dove i due lati (ruote e meccaniche a esse collegate) possono essere sollecitati in maniera asincrona sia come velocità che come asperità presenti sulla superficie del rullo,percorsa a seconda della posizione trasversale del veicolo.
• Prove di temperatura
o Mantenendo il veicolo nei tempi prestabiliti e in specifiche condizioni di lavoro, è possibile analizzare i comportamenti termici delle gomme, freni e differenziali, e capire eventuali criticità di surriscaldamento le cui conseguenze potrebbero comportare cedimenti e incendi.
• Prove di consumo
o Per i veicoli a motore possono essere effettuate prove ripetibili nelle quali si  misura il consumo di carburante per analizzare l’effetto delle modifiche al fine di migliorare l’efficienza dei componenti meccanici e ridurre le emissioni inquinanti.

La gestione di questo sistema richiede l'impostazione di prove completamente automatiche da eseguire a livello Real-Time per garantirne determinismo e ripetibilità. Parallelamente i nodi distribuiti si occupano di misurare, trasmettere e utilizzare localmente i parametri dinamici che controllano le temperature di raffreddamento, posizioni di movimento, velocità e coppie di sollecitazione, e sicurezze degli impianti. 

Qui di seguito alcuni esempi di integrazione realizzata, attraverso la gestione di:
• la velocità e il carico asincroni generati dai rulli derivati dal risultato dei parametri continuamente scambiati in Profibus dal PXI con i due drive di potenza indipendenti. I loro algoritmi interni di controllo ad anello chiuso sono bilianciati con gli analoghi eseguiti nei nodi Real-Time connessi in rete ethernet tra loro
• il raffreddamento dei motori elettrici sulla base di temperature, diparametri ambientali di pressione e umidità rilevati in più punti dell’impianto per evitare shock termici e condensa, secondo leggi variabili durante le prove più lunghe
• il movimento trasversale del veicolo spostando a velocità variabile un supporto che riproduce il sistema di collegamento di un rimorchio alla propria motrice, in modo da usare le giuste porzioni dei rulli, con o senza le placche montate, durante periodi di tempo controllati
• una rete di sensori laser i cui impulsi vanno modulati in PWM con strategie che garantisconola nascita di interferenze tra i vari emettitori e ricevitori
• i due drive di potenza indipendenti (uno per ciascun motore elettrico) mediante comunicazione Profibus, con PXI Real-Time come master primario e uno dei CompactRIO come master ridondato in caso di problemi al PXI, contemporaneamente alla rete ethernet che collega i nodi distribuiti e il computer Windows e quindi costituisce la dorsale del sistema, prevedendo e implementando strategie di sicurezza locali e globali in caso di interruzioni nelle comunicazioni
• misure all’interno del veicolo contemporaneamente a quelle dell’impianto. Uno dei CompactRIO può essere montato e collegato a seconda delle necessità aggiungendo sensori analogici e interfacciandosi con la rete CAN di bordo, comunicando con il resto del sistema mediante rete ethernet
• l'azionamento dei freni idraulici le cui pinze sono ridondate in quanto in parte gestite daPXI Real-Time e in parte da uno dei CompactRIO allo scopo di garantire la frenatura completa.

L’intero impianto basa quasi completamente tutte le misure e le automazioni sul sistema distribuito realizzato da EURINS. I nodi PXI Real-Time (uno posizionato nella sala di controllo) e CompactRIO (tre dei quali due posizionati ciascuno in prossimità di un rullo e il terzo installabile all’interno del veicolo) svolgono il lavoro normalmente demandato a PLC e altri sottosistemi, a vantaggio dell'omogeneità di supervisione, con la gestione del banco prova come grande strumento di misura e automazione.
Questa sfida poteva essere vinta solo utilizzando un’architettura hardware allo stato dell’arte, e per questo abbiamo scelto le spalle dei giganti, unitamente allo sviluppo di applicazioni software molto efficienti. Se fossero state adottate tecniche di programmazione tradizionali, abusando delle risorse di memoria e calcolo disponibili, si sarebbero esaurite con il rischio di non dimensionare adeguatamente il “cervello” dell’impianto. L'attenzione è rivolta principalmenteal livello di programmazione e al flusso di comunicazione.

Alcuni dettagli delle soluzioni tecniche adottate:
• i controller Real-Time dei CompactRIO sono collegati ai rispettivi chips FPGA mediante FIFOs DMA a 64 bits per ottimizzare volumi e tempi di accesso
• le applicazioni Real-Time in ciascuno dei quattro nodi sono strutturate con un massiccio utilizzo del multithreading e delle diverse priorità di esecuzione, secondo criteri di gerarchia che minimizzano il jitter, anche con carichi di lavoro variabili nel tempo
• le comunicazioni in rete ethernet tra i nodi distribuiti si basano su un protocollo TCP/IP incrementale e intrinsecamente sicuro dove i flussi vengono compattati e ricostruiti bidirezionalmente a vantaggio della continua visibilità di ciascuna misura e processo da parte di tutti i livelli coinvolti. Localmente agiscono le strategie di sicurezza qualora venga a mancare la coerenza tra le misure fatte in maniera indipendente e ridondata
• la telemetria è capace di propagare più livelli di informazioni da e verso la rete, così il computer Windows costituisce l’interfaccia di configurazione per i sistemi distribuiti e mostra continuamente lo stato delle misure e attuazioni gestite, e delle tempistiche presenti all’interno dei singoli thread dei vari processi. Le prove possono essere eseguite manualmente e automaticamente, disponendo di una totale configurabilità dei criteri d'allarme da considerare e delle strategie da adottare a seconda delle situazioni• i dati salvati vengono automaticamente caricati nel programma National Instruments NI DIAdem che costituisce l’ambiente di analisi e generazione di report a completamento della catena software, permettendo l'automatizzazione della presentazione dei risultati i quali sono utili ai tecnici per prendere decisioni future
• vengono utilizzati tre monitors da 24”, gruppi di continuità e alimentatori indipendenti per i sottosistemi, harddisk RAID nel computer, reti ethernet indipendenti, rete Profibus ridondata.

Author Information:
Stefano Vianelli
EURINS

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