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Sistema de control y captación de datos aerodinámicos para el túnel de viento de Mondragon Unibertsitatea

“La gran versatilidad de los productos de NI ha sido fundamental para adaptarse a las necesidades del proyecto. La solución dota al sistema de un control de movimiento automatizado integrado con la monitorización de los datos adquiridos, cumpliendo así con los objetivos planteados al inicio del proyecto.” – Iván Torrano, Mondragon Unibertsitatea

El Reto

Desarrollar un sistema de captación y monitorización de datos aerodinámicos combinado con un control de posicionamiento de 4 ejes. La información se monitoriza en tiempo real mientras se almacena para su posterior análisis. Se debe controlar el posicionamiento del sensor de velocidad en tres direcciones y el modelo a analizar debe rotar variando así el ángulo de incidencia con respecto a la dirección del viento.
La Solución
El uso del controlador NI cRIO-9031 junto con el módulo de interfaz de 4 ejes SISU 1004 ha resultado ser una solución eficaz para realizar control del sistema de posicionamiento. Además, el empleo de una arquitectura de proyecto de NI LabVIEW ha permitido integrar la adquisicion de datos realizada en un chasis NI cDAQ-9174 con el control de movimiento en un mismo entorno gráfico.

Introducción

Los túneles de viento son la técnica experimental más común en el campo de la aerodinámica y sirven para estudiar el comportamiento de un cuerpo ante la acción del viento. Existen numerosos sistemas de medición que permiten obtener datos de presión, de velocidad y de las fuerzas de resistencia ejercidas por el viento sobre el objeto de estudio. Es de vital importancia el correcto posicionamiento tanto de los sensores de velocidad y presión como del modelo en sí para garantizar la repetibilidad y precisión de los datos obtenidos. La solución adoptada mediante el software y hardware de NI propociona robustez y fiabilidad en el sistema de control de movimiento. Además, la facilidad y rapidez en el set-up del equipo de adquisión de datos reduce los tiempos de puesta a punto de cada ensayo.

Objetivos

El principal objetivo es el de desarrollar un sistema que cumpla dos condiciones: 1. Controlar posicionamiento de los sensores y/o del modelo para estudiar diferentes posiciones y configuraciones de manera rápida y precisa. 2. Monitorizar y registrar los datos provenientes de sensores de velocidad, presión, temperatura y de la balanza dinamométrica. Por último, se pretende integrar estas dos funcionalidades en un mismo entorno para facilitar el uso del sistema de adquisición y control.

Descripción del sistema de adquisición y control

La Figura 1 proporciona una vista general del túnel de viento. En la parte central se aprecia la zona de pruebas donde se instala el modelo. En la parte superior se dispone de un sistema de guiado de 3 ejes. Cada eje está accionado por un motor paso a paso Nema 23 con driver integrado de la serie NI ISM 7400 que permite posicionar el sensor de velocidad (la sonda de Pitot o el anemómetro de hilo caliente) en cualquier punto (x,y,z) del espacio. En la parte inferior de la zona de pruebas un cuarto motor acciona un plato divisor que permite girar el modelo a distintos ángulos de incidencia. Sobre el plato divisor se monta la balanza dinamométrica que mide las fuerzas de resistencia transmitidas a través del soporte del modelo.

Hardware

La Figura 2 muestra esquemáticamente el sistema de adquisición y control. El controlador embebido NI cRIO-9031 es el encargado de controlar en tiempo real los motores junto con el módulo de interfaz de 4 ejes SISU 1004. Cada motor está alimentado por una fuente NI PS-12, y se conecta al SISU 1004 mediante los terminales SISU RJ- 45. Adicionalmente se dispone de un chasis NI cDAQ-9174 de 4 slots que se conecta por USB al PC. Para adquirir las señales provenientes de los sensores que emplean los siguiente módulos; NI 9215 para la sonda de Pitot, NI 9201 para la balanza dinamométrica y NI 9219 para el sensor de temperatura RTD y el anemómetro.

Software

Los siguientes programas han sido utilizados: – NI LabVIEW: La estructura de proyecto ha permitido comunicar el cDAQ y cRIO con el PC generando un solo entorno gráfico desde el que se controla el movimiento a la vez que se monitorizan los resultados. La programación del código mediante el empleo de una máquina de estados posibilita la sincronización de las tareas. Por ejemplo, en la Figura 3 se muestra el proyecto generado en el cual se sincronizan diferentes estados como; Leer la coordenada de un archivo de texto, desplazamiento a dicha coordenada, adquisición de datos, etc. De este modo se puede automatizar el proceso para realizar contornos 2D de velocidad, estudios de capa límite, medir la evolución de la estela turbulenta desarrollada por el objeto de estudio o cualquier otro barrido en el espacio. – NI LabVIEW Real-Time y NI Lab- VIEW FPGA: Estas plataformas son imprescindibles para compilar las trayectorias generadas y realizar el control y feedback en tiempo real de los motores. – NI SoftMotion: La librería de movimientos programados para el desarrollo simplificado del perfil de movimiento ha sido de gran utilidad para el desarrollo de trayectorias predefinidas. Facilita enormemente la configuración de los ejes, lo que supone una puesta a punto del sistema sencilla. Además, la opción de simular dichas trayectorias en ejes virtuales de Solidworks permite verificar de antemano que no hay colisiones con el modelo ni con las paredes del túnel de viento.

Conclusiones

La gran versatilidad de los productos de NI ha sido fundamental para adaptarse a las necesidades del proyecto. La solución dota al sistema de un control de movimiento automatizado integrado con la monitorización de los datos adquiridos, cumpliendo así con los objetivos planteados al inic

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