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Bancos de prueba de rectificadores para alternadores

“Los productos National Instruments han contribuido en gran medida al éxito de este proyecto”

El Reto

Diseñar y construir un sistema de prueba que se integre en las nuevas líneas de montaje de rectificadores de los alternadores Bosch y asegure la calidad del 100% de la producción de los mismos. Para ser capaz de cubrir los requerimientos de producción, el sistema deberá ser capaz de realizar todas las comprobaciones eléctricas sobre cada rectificador en un tiempo inferior a 3s.

La Solución

El sistema de prueba final se ha dividido en dos bancos de medida diferentes: el primero de ellos, es el responsable de probar los dos medios puentes de diodos (positivo y negativo), mientras que el segundo prueba el puente rectificador completo y lo valida antes de proceder con su montaje en sobre el alternador.

El reto es diseñar y construir un sistema de prueba que se integre en las nuevas líneas de montaje de rectificadores de los alternadores Bosch y asegure la calidad del 100% de la producción de los mismos. Para ser capaz de cubrir los requerimientos de producción, el sistema deberá ser capaz de realizar todas las comprobaciones eléctricas sobre cada rectificador en un tiempo inferior a 3s..

El sistema de prueba final se ha dividido en dos bancos de medida diferentes: el primero de ellos, es el responsable de probar los dos medios puentes de diodos (positivo y negativo), mientras que el segundo prueba el puente rectificador completo y lo valida antes de proceder con su montaje en sobre el alternador. Cada uno de estos bancos tiene asociado un ordenador industrial (IPC), donde mediante las tarjetas PCIe de National Instruments, se lleva a cabo la medida y el chequeo de las magnitudes eléctricas que intervienen en la prueba.

Adicionalmente, dado que la prueba exige la regulación en tiempo real de algunos parámetros, utilizando el cRIO-9075 se ha implementado un sistema de control de múltiples lazos, de alta velocidad y alta precisión. Con este sistema, se regulan las potencias eléctricas aplicadas a cada uno de los diodos del rectificador. Este controlador se comunica a través de la red Ethernet con los IPC, donde se ejecuta la secuenciación de las pruebas.

El sistema final tiene una arquitectura como la que se muestra en el diagrama.

Los requerimientos de calidad en la industria del automóvil son cada vez más y más exigentes. Las exigencias de 0 fallos en las líneas de producción conllevan el desarrollo y la instalación de complejos sistemas de medida y chequeo de los parámetros funcionales de los componentes que se están fabricando.

El sistema que se describe en este artículo tiene como objetivo la parametrización y valoración bueno-malo de los rectificadores de los alternadores Bosch de las nuevas líneas de montaje de las plantas de Bosch Automotive Products (Changsha) Co. y Bosch Automotive Components (Changchun) Co. Ltd.

El sistema se plantea en base a dos grandes grupos de requerimientos técnicos:

• Especificación de producto: la especificación del producto impone la comprobación de múltiples parámetros del rectificador a lo largo de la cadena de montaje.

• Necesidades de producción. Dadas las previsiones de mercado actuales, se tiene unas necesidades de producción de 6 segundos/rectificador.

El sistema final

El sistema final deberá ser capaz de satisfacer los requerimientos indicados en el párrafo anterior. Como la especificación de prueba requiere comprobar los parámetros de los diodos del rectificador tras los procesos destructivos, es necesario implementar dos bancos de medida, uno para chequear el producto tras el ensamblaje del semipuente positivo y del semipuente negativo, y otro para chequear la funcionalidad completa del rectificador.

Cada prueba lleva asociada una serie de pruebas, cada una con su sistema de medida (amplificadores, resistencias shunt, transductores, etc.) y control (fuentes de alimentación, electrónica de potencia, etc.) que juegan un papel a lo largo de la secuencia de prueba. A grandes rasgos, para determinar si un rectificador es válido para su posterior montaje en el alternador, es necesario medir múltiples parámetros tomados durante su funcionamiento bajo distintas condiciones.

Por motivos de seguridad eléctrica y fiabilidad de componentes, los rectificadores de los alternadores Bosch se montan utilizando diodos Zener. Los parámetros de calidad que mayor interés tienen de cara a aplicar un criterio “pasa-no pasa” sobre estas piezas son básicamente tres: tensión directa, tensión Zener y fugas de corriente en la zona de corte de sus diodos.

En cuanto a las condiciones de trabajo, los distintos puntos de funcionamiento sobre los que se realizan las mediciones, se definen con el fin de verificar no sólo un punto de funcionamiento cercano al nominal, si no un rango lo más amplio posible de cargas. Sometiendo al rectificador a cargas superiores a la nominal durante esta etapa del proceso de fabricación, es posible destapar daños ocultos, que conllevarían posibles fallas de fiabilidad en campo.

Para llevar a cabo la adquisición de la gran cantidad de señales que intervienen en el proceso, es de gran ayuda disponer de un hardware de medida muy versátil, que permita tratar señales de diversos tipos (PWM, digitales, niveles de tensión, etc). Por eso, para esta aplicación resultan especialmente ventajosas las tarjetas multifunción de National Instruments (NI PCIe-6321, PCIe-6320, PCIe-6323), ya que permiten concentrar en un único elemento hardware gran cantidad de sistemas de medida. Además, las tarjetas seleccionadas también permiten controlar algunos de los sistemas de actuación cuya temporización no es crítica (no requieren tiempo real), como pueden ser el movimiento de relés de habilitación, control de ciertas fuentes de alimentación, etc.

Para la regulación de potencia, es necesario recurrir a un sistema determinista. Los sistemas industriales convencionales (PLC) no permiten alcanzar las exigencias de resolución en el control necesarias para la aplicación, por lo que para esta aplicación se optó por un equipo cRIO 9075 y las tarjetas 9205, 9264 y 9476. En este elemento se centralizan todos los lazos de control de potencia aplicada sobre los diodos, a la vez que ejecuta el control de los elementos de electrónica de potencia necesarios para cumplir los requerimientos de prueba. La comunicación con los PCs de prueba se hace a través de la red, utilizando variables compartidas.

Aplicación en LabVIEW

LabView fue la plataforma elegida para llevar a cabo el desarrollo software. Su empleo ha permitido sacar el máximo rendimiento al hardware de National Instruments, a la vez que sus librerías han simplificado en gran medida la integración de todos los dispositivos asociados al proceso: (fuentes de alimentación, comunicaciones a través del bus Profibus, variables en red).

La implementación de la aplicación fue muy rápida gracias a la gran cantidad de herramientas de análisis de LabVIEW (procesado de señal, etc.). Además, gracias a la gran cantidad de opciones de visualización de LabVIEW, el grado de satisfacción con la interfaz de usuario de la aplicación resultante ha sido elevado.

El alto grado de integración de las herramientas National Instruments en LabVIEW ha resultado de gran utilidad.

Por ejemplo, utilizando el Measurement & Automation Explorer (NI MAX), fue posible simultanear el desarrollo y la depuración de la aplicación de medida con la construcción de las máquinas, gracias a la posibilidad de simular todo el hardware que intervenía en la aplicación. Así, cuando finalmente se cargó el programa en la máquina, el software tenía un grado de madurez muy elevado, lo que ha contribuido en gran medida a evitar pérdidas de tiempo y de materiales por errores software.

Sin salir del MAX, Dado que el sistema se integra dentro de una cadena de producción, los tiempos de parada por mantenimiento deben ser minimizados. Por ello, se trata de reducir el tiempo necesario para llevar a cabo los procedimientos de calibración de los distintos aparatos de medida.

Con este fin, se desarrollaron procedimientos semiautomáticos de calibración, que se controlan desde la aplicación software.

Dichos procedimientos de calibración hacen uso intensivo de las funcionalidades del Measurement & Automation Explorer y su base de datos (Canales virtuales, escalas, dispositivos virtuales), lo que ha contribuido a simplificar en gran medida el desarrollo software de la aplicación.

Otra herramienta muy útil a la hora de depurar la aplicación en su conjunto ha sido el Distributed System Manager, que permite monitorizar en tiempo real el estado de todos los dispositivos de medida presentes en la red.

Soporte WorldWide

Otro elemento más a la hora de elegir National Instruments para implementar la solución al reto es la seguridad que da el soporte de National Instruments. En sistemas que han de funcionar ininterrumpidamente durante años en puntos diversos del mundo, es crucial disponer de un proveedor de confianza.

Conclusión

Los productos National Instruments han contribuido en gran medida al éxito de este proyecto. Por un lado, gracias al empleo de las tarjetas PCI de National Instruments, hemos conseguido concentrar en un IPC un número muy elevado de sistemas de medida, con la consiguiente reducción de elementos hardware y costes asociados.

El sistema CompactRIO, a su vez, nos ha permitido implementar un sistema de control multiproceso en tiempo real de muy elevada resolución y fácilmente integrable con el resto de procesos del sistema.

A nivel software, el empleo de LabVIEW como lenguaje de programación, ha permitido focalizar los esfuerzos de desarrollo en aspectos puramente de proceso, ahí donde nuestra organización tiene conocimiento y puede realmente aportar valor.

Gracias a la gran flexibilidad de LabVIEW, la integración de la gran cantidad de dispositivos (tarjetas de instrumentación, fuentes de alimentación, sistemas de control en tiempo real, bus de comunicación Profibus, etc.) se ha llevado a cabo de manera muy rápida y sencilla.  



Etiquetas
puente rectificador alternador


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