Sistema di comando/controllo ed acquisizione per attrezzature

elettro–idrauliche

 

INDAPRO ha sviluppato il Sistema “HADC – HYDRAULIC ACTUATOR DIGITAL CONTROLLER SYSTEM”, per il controllo per il controllo digitale di attuatori idraulici.

 

Descrizione generale

Il sistema HADC è stato espressamente progettato e realizzato per pilotare attuatori idraulici, controllandone, staticamente e dinamicamente, lo spostamento e/o la forza di carico ed è quindi particolarmente adatto all’applicazione nelle prove su strutture, sistemi e componenti di tipo statiche, dinamiche, cicliche e a fatica. Inoltre il sistema HADC è in grado di pilotare attuatori idraulici di movimentazione di tavole vibrante, tramite il controllo dell’accelerazione della tavola.

Il sistema è in grado di operare con attuatori muniti di servovalvole elettroidrauliche quali, ad esempio, quelle della Serie G761 prodotte dalla ditta Moog, e dotati di trasduttori per la misura dello spostamento del pistone e della forza erogata (carico), nonché di gestire la centralina idraulica di potenza che alimenta l’attuatore.

Il sistema HADC è basato, per la sua funzione di controllo e comando, su una tecnologia totalmente digitale tramite l’impiego di unità con microprocessori operanti in “real-time” e di schede di conversione A/D e D/A, ad elevata risoluzione e velocità, per l’acquisizione dei segnali dei trasduttori di misura e controllo e la generazione del segnale di comando delle servovalvole. La gestione dei segnali digitali da/per la centralina idraulica è svolta tramite opportune porte di ingresso e uscita (digital I/O).

 

 

Unità HADC – Hydraulic Actuator Digital Controller system

 

Per l’acquisizione dei segnali di misura e controllo dello spostamento, della forza ed, eventualmente, della pressione differenziale del pistone dell’attuatore, il sistema HADC prevede moduli di condizionamento per trasduttori tipo LVDT o magnetorestrittivi, celle di carico estensimetriche e celle di pressione estensimetriche differenziali. Mentre per il comando della/e servovalvoa/e il sistema è provvisto di uno specifico modulo amplificatore di corrente.

Il sistema HADC è proposto in varie configurazioni standard e opzionali in grado di soddisfare i requisiti primari richiesti ad un moderno sistema di comando e controllo per attuatori idraulici dedicati all’esecuzione di prove strutturali, e, grazie al suo elevato grado di flessibilità, può anche essere modificato nella sua configurazione base e in alcuni suoi componenti per soddisfare specifiche esigenze richieste dal Committente.

Sul PC opera il software applicativo denominato «HADCSW» sviluppato appositamente da INDAPRO in ambiente Labview© della National Instruments. Il software « HADCSW» comunica in modo intuitivo con l’operatore attraverso maschere che consentono di operare – in modo semplice – nel corso delle varie fasi operative di prova.

L’impiego di un servo-controllo digitale costituito dal sistema HADC con software applicativo HADCSW e da un Personal Computer, rappresenta la sostanziale innovazione tecnologica e funzionale rispetto ai tradizionali servo-controlli analogici.

Il sistema HADC può anche essere inserito in pre-esistenti sistemi di servo-controllo (ad esempio quelli già a disposizione del Committente) per realizzare un ulteriore anello di controllo esterno che, operando nel dominio delle frequenze, ottimizza/migliora le modalità del controllo degli attuatori. In questo caso il sistema HADC è fornito privo dei moduli di condizionamento segnali e dei circuiti di comando/controllo della centralina idraulica (funzioni queste già svolte da altri strumenti già disponibili).

Nella figura allegata lo schema tipico di applicazione del sistema HADC per una macchina di prova per materiali e sistemi. Le modalità di collegamento all’attuatore idraulico sono del tutto simili anche per altre applicazioni (ad esempio: vibrodine elettro-idrauliche, tavole vibranti, ecc.).

 

Funzioni operative

Le principali operazioni e funzioni che il sistema HADC, nelle sue configurazioni “base”, è in grado di svolgere, sono :

§                     Comando e controllo della centralina idraulica di potenza che alimenta l’attuatore e gestione delle segnalazioni degli allarmi e delle anomalie di funzionamento (blocchi termici motori, temperature e livelli olio nel serbatoio, flusso olio nell’impianto, ecc.) ([1]).

§                     Gestione, di eventuali segnali di blocco e/o stato di allarme provenienti da dispositivi di emergenza o barriere di sicurezza disposte, previa richiesta del Committente, sull’impianto ([2]).

§                     Condizionamento, tramite appositi circuiti, del segnale del trasduttore di spostamento del pistone (d), della cella di carico (C) e, nel caso l’attuatore ne sia dotato, della cella di pressione differenziale (DP) ([3]).

§                     Acquisizione e digitalizzazione dei segnali del trasduttore di spostamento del pistone (d), della cella di carico (C) ed, eventualmente, della cella di pressione differenziale (DP).

§                     Generazione del segnale analogico di comando (rappresentativo della posizione dello stelo o del carico sviluppato dall’attuatore o dall’accelerazione sulla tavola vibrante) e conversione in potenza (corrente) per l’invio alla/e servovalvola/e di comando dell’attuatore idraulico.

§                     Comando e controllo (servo-controllo) dell’attuatore idraulico, tramite funzioni integrate di controllo digitale PID, effettuate sul confronto – in tempo reale – fra il segnale del programma, di carico o di spostamento, da riprodurre nel corso della prova e predefinito dall’operatore, e i segnali dei trasduttori di misura montati sull’attuatore e/o sull’attrezzatura di prova.

§                     Disposizione di efficienti e sintetiche interfacce utente per rendere semplici e sicure l’impostazione dei parametri di misura, di comando e controllo e per la visualizzazione di dati e stati di funzionamento del sistema, in particolare :

-          Visualizzazione delle grandezze di controllo principali e ausiliarie (stato di funzionamento del sistema) e delle segnalazioni di eventuali anomalie

-          Impostazione e visualizzazione della configurazione delle catene di misura dei segnali di controllo (tipologia e costanti di taratura dei trasduttori, azzeramento o impostazione tara, ecc.)

-          Impostazione e regolazione del “set-point” e del “gain” relative alle variabili di controllo PID delle grandezze da controllare (spostamento e carico dell’attuatore).

-           

Caratteristiche tecniche e prestazioni del sistema HADC

In un sistema di misura e controllo come quello in oggetto, i parametri principali che ne determinano il livello/classe di funzionamento e operatività sono il numero dei canali di misura da controllare e la frequenza di aggiornamento dell’anello di controllo (control loop). Poiché questi due parametri influiscono sensibilmente sulle specifiche tecniche del microprocessore da adottare per le funzioni di acquisizione e controllo, in tempo reale, il sistema HADC è proposto nelle seguenti tre configurazioni “base”, in grado di coprire differenti campi di frequenza nelle applicazioni di prove statiche, prove cicliche, prove a fatica, prove dinamiche su strutture, sistemi e componenti, e prove sismiche con tavola vibrante (vedi tabella dei modelli del sistema HADC)

Mod. HADC-001÷010 – Adatto a prove cicliche e a fatica a bassa frequenza (sino a 10 Hz) :

- Frequenza aggiornamento loop di controllo........................................ 400 Hz

- N. grandezze acquisite e controllate.................................................. N. 2: Spostamento e Forza


Mod. HADC-011÷020 – Adatto a prove cicliche e a fatica a media frequenza (sino a 100 Hz):

- Frequenza aggiornamento loop di controllo........................................ 2.000 Hz

- N. grandezze acquisite e controllate.................................................. N. 2: Spostamento e Forza

Mod. HADC-021÷030 – Adatto a prove dinamiche (sino a 100 ÷ 200 Hz ([4])):

- Frequenza aggiornamento loop di controllo........................................ 2.000 Hz

- N. grandezze acquisite e controllate.................................................. N. 3       
Spostamento, Forza (o accelerazione) e Pressione differenziale

Le principali caratteristiche tecniche comuni alle tre configurazioni “base” sono:

Canali di Ingresso Analogici

- Numero canali....................................................................... 2 o 3, ingresso differenziale

- Risoluzione del convertitore A/D............................................. 16 bit

- Campo di misura canali d’ingresso.......................................... ±10V, ±5V, ±1V, ±0,2V

- Massima frequenza di campionamento.................................... 200.000 camp./sec

Canale di Uscita Analogica

- Risoluzione del convertitore D/A............................................. 16 bit

- Massima tensione in uscita..................................................... ±10V (±5 mA max)

- Massima frequenza di aggiornamento...................................... 740.000 camp./sec

- Capacità della memoria FIFO.................................................. 8.191 campioni

Porte di Ingresso/Uscita Digitali

- Canali ingresso/uscita digitale................................................. N. 4 Ingresso + N. 4 Uscita

- Livello segnali dei canali I/O digitali......................................... Ingresso: TTL – Uscita: contatto relè

 

Funzioni e caratteristiche tecniche “opzionali” del sistema HADC

Il sistema HADC è espandibile in varie funzioni, sia hardware che software, per ampliarne l’operatività, campi di applicazione e coprire specifiche esigenze del Committente. Le opzioni disponibili sono:

§                     Generatore di funzioni programmabile

L’opzione permette all’operatore di realizzare e generare, in forma digitale, profili e programmi di carico o di spostamento o di accelerazione secondo varie modalità; in particolare:

-          Costruzione numerica, per punti, di profili di carico inerenti a sequenze di rampe lineari

-          Generazione di cicli con forme d’onda sinusoidale, triangolare, rettangolare e trapezoidale tramite l’impostazione dei valori di: ampiezza, frequenza e numero di cicli

-          Inserimento di “time-history” digitali, preventivamente predisposte dall’operatore in forma di file

-          Altre modalità di generazione su specifica richiesta dell’utilizzatore (opzionale)

§                     Contatore di cicli di carico o di spostamento

Questa opzione, che risulta di grande utilità ed efficacia per gestire prove a fatica, permette di programmare, in modo informatico, la riproduzione ripetitiva (ciclica) di uno specifico programma di carico o di spostamento secondo modalità prefissate/impostate dall’operatore, e di monitorare/controllare il numero di ripetizioni (cicli).

§                     Sottosistema di acquisizione dati

Mediante questa opzione, viene aggiunta nell’unità base del sistema HADC una scheda dotata di Convertore Analogico/Digitale Multicanale ad alta risoluzione e frequenza di acquisizione. Ai canali d’ingresso del sottosistema possono essere collegati i segnali analogici pre-condizionati provenienti da catene di misura di trasduttori elettrici con uscita in tensione, quali: trasduttori di spostamento LVDT, celle di carico e di pressione, accelerometri, ecc..


Le modalità operative dell’opzione “Sottosistema di Acquisizione Dati” permettono di svolgere le seguenti funzioni:

-          Attivazione/disattivazione canali d’ingresso dei segnali

-          Configurazione delle catene di misura (identificazione e costanti di taratura sensori)

-          Azzeramento tramite valori di tara e/o inserimento di valori di “offset” (per ogni singolo canale)

-          Scelta e configurazione delle modalità di prova: statica, dinamica, a fatica e sismica

-          Visualizzazione grafica dei canali di misura nel corso dell’acquisizione

-          Creazione del rapporto delle attività sperimentali a fine prova, in formato MS-WordÓ; in questo modo sono possibili successive eventuali personalizzazioni dell’operatore.

-          Visualizzazione tabellare e/o grafica delle acquisizioni archiviate nel data-base delle prove

Le principali caratteristiche tecniche dell’opzione “Sottosistema di Acquisizione Dati” sono:

-     Numero dei canali di misura............................................... 16, single-ended

-     Risoluzione del convertitore A/D.......................................... 16 bit

-     Campo di misura canali d’ingresso....................................... ±10V, ±5V, ±1V, ±0,2V

-     Massima frequenza di campionamento................................. 200.000 camp./sec

§                     Banco di filtri anti-aliasing programmabili

Il “Sottosistema di Acquisizione Dati”, può inoltre essere dotato, opzionalmente, di un banco di filtri Anti-aliasing programmabili, costituito da 16 moduli di filtri analogici passa-basso di tipo Butterworth, pendenza di taglio di 24 db/ottava e selezionabili per via digitale, tramite il software HADCSW, su quattro valori della frequenza di taglio: 40 Hz, 120 Hz, 360 Hz e 5 KHz.

 

Requisiti minimi richieste al sistema PC

Per il corretto funzionamento del sistema HADC, il Personal Computer (PC) deve avere le seguenti caratteristiche tecniche minimali:

-          Processore........................................................................ Intel Pentium© – 1,4 Ghz

-          Capacità di memoria RAM................................................... 512 MB

-          Capacità Hard Disk............................................................ 60 GB

-          Risoluzione del Monitor....................................................... 1024 × 768 pixel (min. 14”)

-          Porte di comunicazione....................................................... n°. 1 USB-2
n°. 1 Ethernet

-          Sistema operativo.............................................................. MS Windows XP Professional©

-          Software........................................................................... MS Office© Base (per versioni opzionali)

-           

Caratteristiche generali del sistema HADC

Le caratteristiche generali principali del sistema HADC sono:

§         Tipologia dei connettori sul pannello posteriore dell’unità HADC:

-          Segnali digitali controllo/gestione centralina idraulica....... N. 1 Multipolare, tipo MIL

-          Segnali di ingresso dei canali di misura da
condizionare (C,
d, DP)................................................. N. 3 Multipolare, tipo MIL

-          Segnali ingresso dei canali di misura già
condizionati (C,
d, DP).................................................. N. 3 tipo BNC

-          Segnali di uscita di comando al amplificatore

di corrente per la/e servovalvola/e................................ N. 1 tipo BNC

-          Segnali di uscita di comando al amplificatore

di corrente per la/e servovalvola/e................................ N. 1 Multipolare tipo MIL

-          Segnali d’ingresso canali di misura “single-ended”........... N.16 tipo BNC

-          Segnale d’ingresso programma esterno (max ±10 V)....... N.1 tipo BNC

-          Segnali d’ingresso digitale (TTL)................................... N.4 tipo BNC

-          Segnali di uscita digitale (contatto relè).......................... N.4 tipo BNC

-          Segnali Input/Output (Counter/Generator)...................... N.2 tipo BNC

-          Segnali Input/Output del “Trigger”................................. N.2 tipo BNC

-          Segnali di sincronizzazione del “Sample clock”................ N. 1 tipo multipolare

-          Uscita alimentazione ausiliaria 0/+5 Vcc, max 1°............ N. 1 tipo coassiale
(più potenziometro rotativo)

-          Riferimenti di messa a terra e di massa......................... N. 1 boccole a morsetto/prese a banana

-          Connettore per collegamento al PC................................ N. 1 10/100 Base T Ethernet

§         Alimentazione elettrica....................................................... 220 V / 50 Hz (max 400 VA)

§         Dimensioni e peso indicativi

-          altezza........................................................................ 200 mm

-          larghezza.................................................................... 500 mm

-          lunghezza................................................................... 400 mm

-          massa........................................................................ 10 kg

 

 

Unità HADC – Pannello anteriore e posteriore (porta connettori)

 


 

Tabelle:  Differenti versioni del sistema HADC

PRESTAZIONI

MODELLI

HADC-001

HADC-002

HADC-003

HADC-004

HADC-005

HADC-006

HADC-007

HADC-008

HADC-009

HADC-010

OPERATIVITÀ

Gestione centralina idraulica

 

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Alimentazione
servo-valvola/e Moog

 

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Condizionamento d

 

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Condizionamento C

 

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Condizionamento DP

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

FUNZIONALITÀ

Servo-controllo 400 Hz

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Servo-controllo 2000 Hz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Generatore di funzione

 

 

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Counter

 

 

 

 

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Acquisizione digitale dei dati 16 can; 16 bit; 1khz/can

 

 

 

 

 

 

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Filtri anti-aliasing
(4 segnali di controllo)

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Filtri anti-aliasing
(16 segnali acquisizione)

 

 

 

 

 

 

 

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Per prove statiche, per prove cicliche e a fatica
a bassa frequenza (sino a 10 Hz).

 

PRESTAZIONI

MODELLI

HADC-011

HADC-012

HADC-013

HADC-014

HADC-015

HADC-016

HADC-017

HADC-018

HADC-019

HADC-010

OPERATIVITÀ

Gestione centralina idraulica

 

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Alimentazione
servo-valvola/e Moog

 

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Condizionamento d

 

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Condizionamento C

 

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Condizionamento DP

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

FUNZIONALITÀ

Servo-controllo 400 Hz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Servo-controllo 2000 Hz

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Generatore di funzione

 

 

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Counter

 

 

 

 

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Acquisizione digitale dei dati 16 can; 16 bit; 1khz/can

 

 

 

 

 

 

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Filtri anti-aliasing
(4 segnali di controllo)

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Filtri anti-aliasing
(16 segnali acquisizione)

 

 

 

 

 

 

 

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Per prove cicliche e a fatica
a media frequenza (sino a 100 Hz).

 

PRESTAZIONI

MODELLI

HADC-021

HADC-022

HADC-023

HADC-024

HADC-025

HADC-026

HADC-027

HADC-028

HADC-029

HADC-030

OPERATIVITÀ

Gestione centralina idraulica

 

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Alimentazione
servo-valvola/e Moog

 

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Condizionamento d

 

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Condizionamento C

 

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Condizionamento DP

 

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FUNZIONALITÀ

Servo-controllo 400 Hz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Servo-controllo 2000 Hz

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Generatore di funzione

 

 

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Counter

 

 

 

 

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Acquisizione digitale dei dati 16 can; 16 bit; 1khz/can

 

 

 

 

 

 

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Filtri anti-aliasing
(4 segnali di controllo)

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Filtri anti-aliasing
(16 segnali acquisizione)

 

 

 

 

 

 

 

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Per prove dinamiche
(sino a 100 ÷ 200 Hz).

 

 

 

Esempio di schema funzionale del sistema HADC per macchine di prova


 



([1])         Le funzioni di comando/controllo della centralina idraulica di potenza non vengono rese disponibili dal sistema HADC nel caso che questo venga inserito in sistemi di servo-controllo pre-esistenti, già asserviti da propria centralina.

([2])       La gestione di tali eventuali segnali ausiliari nel sistema HADC sono legati strettamente alle esigenze operative e alle predisposizioni elettromeccaniche disponibili su ciascun specifico impianto/attrezzatura di prova e, pertanto, la loro integrazione sarà argomento di considerazioni e valutazioni da sviluppare in accordo al Committente.

([3])         Nei casi di pre-esistente disponibilità, sull’attrezzatura di prova, di propri moduli di condizionamento delle grandezze di spostamento, carico e pressione differenziale, il sistema HADC è fornibile senza i circuiti di condizionamento segnali integrati al suo interno. Ad HADC dovranno comunque essere inviati i segnali dei trasduttori già pre-condizionati.

([4])         Su richiesta potranno inoltre essere proposte soluzioni di sistema HADC dotate di microprocessori a più elevate prestazioni per condurre prove anche a frequenze superiori ai 100 ÷ 200 Hz.