Banco de ensayo para alternadores de avión

El Reto:

Desarrollar tres bancos de ensayo de alternadores para un modelo de avión militar. Los bancos deberán ensayar tres tipos de alternadores (AC, DC y APU), acoplados a un eje que gira a la velocidad de la turbina, con diferentes condiciones de carga. El sistema mecánico que simula la turbina del avión (accionamiento), debe ser capaz de proporcionar un eje que gira a la misma velocidad que la turbina del avión (25.000rpm). Esto supone la parte clave del proyecto ya que el elevado par mecánico y velocidades de hasta 25.000 rpm requiere un sistema de monitorización de temperaturas y caudales de refrigerante en tiempo real de muy alta fiabilidad para no destruir el sistema. La arquitectura hardware/software para el control del ensayo automatizado de los tres bancos deberá proporcionar alta fiabilidad contra errores y extrema robustez

La Solución:

Un banco de ensayos portátil para alternadores tipo APU y un banco de ensayos con mecánica fija para alternadores AC y DC. Ambos bancos se controlan con un cRIO-9082 con sistema operativo en tiempo real con gran determinismo y robustez que controla diferentes esclavos NI 9144 que permiten control distribuido de bajo nivel y respuesta inmediata frente a fallos con alto determinismo y máxima fiabilidad de los tres bancos gracias a sus FPGAs programables.

Introducción

EADS es líder mundial del sector aeronáutico y espacial, defensa y servicios relacionados. EADS abarca Airbus, principal fabricante mundial de los aviones comerciales y militares más innovadores.

6TL Engineering ostenta más de 25 años de experiencia como fabricante de soluciones para accionamiento de alternadores y ha sido elegido en varias ocasiones como proveedor de laboratorios de test para alternadores de diferentes modelos de avión.  En 2012, el fabricante europeo EADS necesita equipar un nuevo laboratorio para ensayo de nuevos alternadores y 6TL vuelve a ser el proveedor seleccionado.

Los bancos servirán para realizar ensayos a dichos alternadores en todo el rango de regímenes de revoluciones mediante perfiles de rampas de velocidad y trabajando los alternadores contra diferentes cargas resistivas e inductivas. Los encargados de proporcionar el movimiento son los accionamientos, basados en motores de alterna de gran potencia controlados vía CANOpen. La sofisticada mecánica en la etapa final del accionamiento, garantiza una velocidad en su eje de salida de hasta 25.000rpms para los bancos AC y DC y 15.000rpm para el banco APU.

Rodar a estas altas velocidades implica un sistema de lubrificación y refrigeración que garantice la salud de todas partes mecánicas. Esto se consigue mediante la inyección de aceite sintético de prestaciones especiales en las partes más críticas del sistema, como son el caso de los cojinetes de salida, por sus extremas solicitaciones mecánicas. Una estricta monitorización de la temperatura de las partes mecánicas que más se calientan, es vital dentro del sistema de control de los bancos. 

Este es el motivo por el que están altamente instrumentados con sondas de temperatura, sondas de caudal (para detectar una correcta inyección del flujo de aceite) y sondas de presión (para detectar una potencial obstrucción del circuito de refrigeración o cualquier fuga de aceite en el mismo) La gestión de la maniobra de refrigerado, engrasado y control de temperatura del aceite y los componentes mecánicos, se lleva a cabo por los SLAVES (1 por banco). Los SLAVES se han implementado con los dispositivos NI 9144, pero no en su funcionamiento normal de periferia distribuida (que también), sino que se les ha dotado de inteligencia (a través de la programación personalizada de su FPGA) para que, una vez recibidas las ordenes del MASTER, puedan trabajar de forma autónoma, controlando las variables, las alarmas y las condiciones de error con la máxima velocidad y sin depender de un sistema operativo. Esto, unido al diseño eléctrico de la maniobra, confiere una gran seguridad para el banco en caso de fallo, pues se asegura que el sistema siga refrigerado hasta la parada segura (por ejemplo en el caso de una caída de las comunicaciones con el MASTER, o por el alcance de una temperatura crítica en cualquier cojinete). El encargado de la maniobra a alto nivel es el MASTER, que implementado en un cRIO-9082 RT, se comunica con los SLAVES mediante Ethercat para lograr el máximo determinismo y seguridad posibles. Su función básica es dar las órdenes a los SLAVES sobre lo que deben hacer (órdenes que en el SLAVE se ejecutan de forma autónoma) y recibe el estatus, y todas las variables de los bancos, de ellos. El MASTER también se comunica con los motores mediante CAN Open para programar la aceleración y velocidad deseadas. Asimismo se implementa dentro del MASTER el control de los bancos de carga. De esta manera el MASTER lleva el control simultáneo e independiente de los tres bancos a un nivel más alto que el de los esclavos.

La arquitectura se completa con el programa de usuario (HOST) donde se centralizan todas las opciones de control y visualización del banco. El HOST se comunica con el MASTER mediante Ethernet. Para ello se ha usado la herramienta “Network Streams” de LabVIEW bidireccionalmente (para enviar ordenes y para recibir el estatus completo del MASTER y los SLAVES).

Por un lado es posible ver las alarmas presentes en el sistema. También configurar el banco (escalado de sensores, límites de seguridad, etc.). Finalmente la pantalla principal contiene toda la información de los tres bancos de forma accesible. La arquitectura software desarrollada permite que los bancos se pueden manejar de manera independiente (cada uno realizando un ensayo distinto) y de forma simultánea (aunque no tiene por qué ser así obligatoriamente).

El SW del HOST está desarrollado para que sea intuitivo y a prueba de errores. No se permite la realización de maniobras no autorizadas según el estado en el que se encuentre el banco. También se muestra la información de forma clara, utilizando códigos de colores para resaltar condiciones de emergencia, el uso de indicadores luminosos, etc. Si hay un fallo en un banco, el banco se para de manera segura, pero aunque el fallo haya desaparecido (por ejemplo la temperatura ha vuelto a su nivel normal), el error sigue apareciendo en la pantalla de alarmas hasta que se resetea, ayudando al usuario a detectar el problema que causó la parada. A nivel de funcionamiento interno, todas las órdenes de maniobra tanto de usuario como de MASTER son reconocidas por sus receptores, con lo que se asegura la recepción de la misma o un pop-up avisa al usuario de que una orden no ha sido reconocida. El conjunto proporciona un sistema muy fiable.  

Conclusión:

La combinación de hardware/software de NI empleada, ha permitido desarrollar un sistema completo cumpliendo con los requisitos de robustez, determinismo, máxima seguridad y control independiente. Se ha conseguido el desarrollo de una interfaz de usuario intuitiva y funcional. El control de los bancos, la gestión de la maniobra y el programa de usuario, cuelgan de un solo proyecto LabVIEW centralizado, que es el eje que vertebra el desarrollo del proyecto. Mediante la utilización de una sola herramienta con sus extensiones (Real-Time y FPGA) se ha desplegado toda la arquitectura desde el alto nivel de usuario hasta el bajo nivel de maniobra, sin tener que recurrir a otros sistemas o lenguajes de programación, lo que ha simplificado el desarrollo.

Finalmente, el resultado obtenido con los bancos de prueba construidos ha cumplido con las altas exigencias de que se partía, con lo que el nivel alcanzado en la ejecución del proyecto ha sido plenamente satisfactorio.