2006-01-2511
Engines Development Time Minimization in function of Tests Systems and Data Analysis Optimization and Integration Minimização do Tempo de Desenvolvimento de Motores em função da Otimização e Integração dos Sistemas de Testes e Análise de Dados Ricardo Andrade Ranal Robson Alves Nascimento Margarete de Castro Menezes MWM International Indústria de Motores da América do Sul ltda. Copyright © 2006 Society of Automotive Engineers, Inc
O objetivo desse trabalho é propor, primeiramente, a redução das “lacunas” existentes nos sistemas de desenvolvimento e análise otimizando ambos. Após essa otimização, o próximo passo é integrá-los em um único sistema rápido, confiável e amigável.
ABSTRACT Most of times, the project development cost is proportional to needed time to concluded it. This issue is not different when the subject is engines development. All tests and assays are each time more rigorous, demanding an extensive and accurate engineering analysis. At the same time, the market demand increases according to shortened deadline projects delivery.
Agilidade, praticidade e confiabilidade. Essa foi a filosofia empregada para a concepção desse sistema.
This diminished time can bring a costs reduction to the project and consequently, resources necessaries to the accomplishment of other quicker and efficient tests and assays becomes available.
Em todas as suas etapas é possível verificar a eliminação de fatores que, se somados, dificultam em muito o bom andamento dos testes e análises necessários para o desenvolvimento de motores.
The objective of this paper is to propose, at first, the reduction of the existing gaps in the development and analyses systems and optimize both. The next step after this optimization is to integrate both in a unique, fast, trustworthy and friendly system.
Para que a explicação do sistema seja melhor compreendida é necessário dividi-lo em três blocos:
DESCRIÇÃO DO SISTEMA
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Controle e Aquisição de Dados; Armazenamento dos Dados; Importação e Análise dos Dados.
RESUMO Sabe-se que o custo do desenvolvimento de um projeto, na maioria das vezes, é proporcional ao tempo que foi gasto para concluí-lo. E no que diz respeito ao desenvolvimento de motores esse problema não é diferente. Figura1. Diagrama de Blocos do Sistema.
Os testes e ensaios estão cada vez mais rigorosos exigindo uma análise de engenharia mais extensa e apurada. Ao mesmo tempo, a demanda de mercado aumenta na medida em que os prazos de entrega de projeto são reduzidos.
CONTROLE E AQUISIÇÃO DE DADOS (BANCO DE TESTES) Desenvolvido a partir de software e hardware dimensionados para tal tarefa, essa parte do sistema é responsável por executar e gerenciar os testes em função dos programas presetados pelo usuário de acordo com os procedimentos de engenharia. Além disso, aquisita todas as informações necessárias conforme o tipo do ensaio para uma posterior análise.
Com isso, minimizar o tempo de desenvolvimento torna-se primordial. Reduzindo-se esse tempo obtem-se uma redução no custo do projeto e, conseqüentemente, disponibiliza-se os recursos necessários para a realização de outros testes e ensaios de maneira mais rápida e eficiente.
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Foi desenvolvido com o objetivo de facilitar e agilizar o trabalho do usuário. Houve uma preocupação em se projetar uma interface amigável onde operador não perdesse tempo na busca das funções e informações. Inclusive as cores da interface foram selecionadas de maneira a possibilitar uma visualização contínua da tela sem causar maiores desconfortos e, conseqüentemente, sem influenciar na produtividade do usuário.
software. O usuário preocupa-se apenas em setar os setpoints de acordo com o procedimento de teste. Todo o controle é realizado pelo sistema.
Figura 3. Detalhe do painel do Controle do Dinamômetro.
ACIONAMENTOS – Todos os eventos digitais (on/off) como partida, ignição, bomba elétrica, exaustores entre outros, são acionados através da tela do sistema.
Figura 4. Detalhe dos acionamentos digitais de ignição, partida, marcha lenta e modo do dinamômetro.
As variáveis que necessitam de um controle através de válvulas, como pressão de admissão e escape e temperaturas de água e diesel, são também ajustadas em telas auxiliares do sistema que enviam os setpoins às válvulas proporcionais localizadas em seus respectivos pontos. Isso faz com que o operador evite entrar no banco de testes para interferir diretamente no controle através de válvulas manuais.
Figura 2. Tela do software de Controle e Aquisição de Dados.
O Controle e Aquisição de Dados está subdividido em blocos de acordo com suas funcionalidades: -
Controle do Dinamômetro; Acionamentos; Painéis de Instrumentação; Gerenciador de Programa; Gerenciador de Folha de Teste; Alarmes; Visualizador Gráfico; Níveis de Usuário; Histórico “Post-Mortem”; Interface com Analisadores; Horímetro; Aviso de Manutenção do Dinamômetro; Calibração.
CONTROLE DO DINAMÔMETRO – As variáveis de rotação, carga e posição do acelerador são tanto visualizadas quanto ajustadas nesse bloco. Os setpoints são enviados através do software ao hardware de controle do dinamômetro. Esse, por sua vez, age sobre as variáveis a serem controladas retornando os valores das mesmas ao
Figura 5. Tela auxiliar de Controle da Admissão.
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PAINÉIS DE INSTRUMENTAÇÃO – Os pontos de instrumentação de temperatura e pressão são totalmente visualizáveis através de telas auxiliares que podem ser chamadas por botões na tela principal. Outros pontos de medição como consumo, fumaça e até canais matemáticos, também podem ser visualizados.
visualização dos setpoints de todos os passos, o número e o tempo total de passos do programa, o número, o tempo decorrido e os setpoints do passo em execução e o diretório do arquivo do programa. Uma vez que um arquivo de programa de teste foi criado, a sua gravação no sistema é automática. Assim, cria-se uma base de dados com todos os testes que já foram executados. Isso possibilita ao usuário selecionar o programa todas as vezes que o mesmo ensaio for solicitado. O fato do programa não ter que ser refeito agiliza todo o processo de teste sensivelmente. GERENCIADOR DE FOLHA DE TESTE – Trata-se de um outro subsistema responsável pela parte de aquisição de dados do ensaio. Pode-se criar, selecionar e editar as folhas de teste (arquivos com as aquisições de dados) de acordo com o tipo de teste a ser executado.
Figura 6. Painel de Temperaturas - Tela auxiliar.
É importante ressaltar que os pontos que necessitam de uma visualização constante, como temperatura de água e escape, pressão e temperatura de óleo e potência observada, ocupam um lugar de destaque na tela principal ao lado dos controles do dinamômetro.
Figura 7. Pontos de visualização constante em destaque no canto direito.
Figura 9. Tela do Gerenciador de Folhas de Teste.
GERENCIADOR DE PROGRAMA – Nesse subsistema é possível criar, selecionar, editar e controlar um programa de testes automático. O usuário tem condições de programar todo o procedimento do teste a ser realizado setando o tempo do passo, tempo de rampa, modo de controle do dinamômetro, rotação, carga, posição do acelerador, sinais de ignição e partida, aquisição dos dados e, em breve, acionar equipamentos de medição de fumaça, particulado e emissões de gases.
Todas as variáveis automatizadas no sistema são aquisitadas quando se solicita uma gravação na folha de teste, seja manual (o operador aciona a gravação através de um botão na tela) ou automática (seta-se o melhor momento para a gravação no programa de testes automático). A seleção dos dados pertinentes para cada tipo de teste acontece em outra etapa que será explicada posteriormente. No campo destinado à gravação manual de dados existem campos para entrada manual de variáveis (via teclado) que ainda não estão com suas medições automatizadas ou, simplesmente, que estão fora do escopo do considerado padrão, tratando-se de medições especiais. Evita-se assim, inclusões posteriores de dados na folha de teste, que costuma gerar confusões na análise e, conseqüentemente, atraso nas avaliações da engenharia. Na criação dos arquivos de folhas de teste há campos onde o usuário deve indicar qual é o tipo e o número do motor, o tipo e o número do teste e o número da folha de teste. Partindo desses dados, o gerenciador de folha de teste é capaz de montar o nome do arquivo conforme o procedimento utilizado pelo departamento de Engenharia,
Figura 8. Detalhe do painel do Gerenciador de Programa.
Durante a execução automática do teste, o gerenciador de programa disponibiliza ao usuário a
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facilitando e agilizando a posterior rastreabilidade dos dados dos testes.
Figura 12. Detalhe do Visualizador Gráfico.
NÍVEIS DE USUÁRIO – O sistema conta com a possibilidade de cadastro de usuários com diversos níveis de acesso. Normalmente usam-se três níveis: - Administrador: acesso total ao sistema incluindo configuração, calibração, alarmes e operação; - Engenheiro/Líder: acesso aos alarmes e operação; - Mecânico: acesso somente à operação.
Figura 10. Tela de Criação dos Arquivos de Folhas de Teste.
ALARMES – Todas as variáveis medidas pelo sistema podem ser associadas a níveis de alarmes. Através de uma tela auxiliar o usuário seleciona um canal onde pode setar até quatro níveis diferentes de alarme: - HiHi: Nível vermelho alto. Quando a variável ultrapassa essa condição o sistema corta o sinal de ignição parando o motor; - High: Nível amarelo alto. Nessa condição o sistema joga o motor para marcha lenta; - Low: Nível amarelo baixo: Quando a variável cai abaixo dessa condição o sistema joga o motor para marcha lenta; - LoLo: Nível vermelho baixo: Nessa condição o sistema corta o sinal de ignição parando o motor.
Figura 13. Tela de Login do Usuário.
HISTÓRICO “POST-MORTEM” – Esta é uma função oculta do sistema que é disparada assim que o motor entra em funcionamento, ou seja, quando é apresentada uma rotação igual ou superior a sua marcha lenta. Trata-se de uma aquisição de dados automática e sem a interferência do operador, que serve para análises rápidas de possíveis problemas que venham a acontecer no decorrer do teste e que acabe resultando em uma parada brusca do motor. Todas as variáveis automatizadas do sistema são aquisitadas e armazenadas em um arquivo de maneira contínua até que o motor pare por qualquer motivo. A velocidade e tempo de aquisição podem ser customizados. Os valores padrões são de amostragens feitas a cada cinco segundos durante dez minutos.
Figura 11. Tela auxiliar de configuração de Alarmes.
Esse histórico documenta os últimos minutos antes de uma possível parada por problemas do motor. Esse tipo de aquisição ajuda, de maneira rápida e eficiente, a detecção de problemas que seriam muito difíceis e demorados de resolver sem esse recurso.
Todos os eventos de alarme que ocorrem durante o teste são gravados em um arquivo exclusivo. Caso seja necessária a verificação de alguma ocorrência, esse arquivo encontra-se disponível para eventuais consultas. VISUALIZADOR GRÁFICO – Possibilita que o usuário selecione as variáveis que ele queira monitorar de maneira gráfica. A detecção de instabilidade ou desvios no teste é facilitada uma vez que se utilizam recursos gráficos para a visualização.
INTERFACE COM ANALISADORES – Para que se possa agilizar ainda mais o processo de testes de motores é preciso uma automação completa de todos os equipamentos que compõem o sistema. Por isso a comunicação com os
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equipamentos analisadores (medidor de fumaça, particulado e emissões de gases) faz-se necessária.
ARMAZENAMENTO DOS DADOS Os arquivos de folha de teste gravados durante o ensaio são armazenados, para uma maior segurança, no disco rígido do computador onde funciona o sistema de testes. Ao final do ensaio, esses arquivos são redirecionados para um diretório no servidor da empresa através da rede local. Esse diretório foi previamente liberado pelo departamento de Tecnologia de Informação para armazenamento exclusivo de folhas de teste.
Apesar da integração desses equipamentos com o sistema de testes ser algo um pouco mais complexo e demandar um trabalho mais apurado no seu desenvolvimento, já foram realizados experimentos com seus protocolos de comunicação onde foram obtidos ótimos resultados. Em breve, os analisadores estarão totalmente integrados com sistema, dando maior velocidade no processo de aquisição de dados. HORÍMETRO – Funciona de maneira semelhante ao histórico post-mortem. Porém, apenas registra a quantidade de horas de teste “com o motor rodando” executados pelo sistema. Esse é um dado importante utilizado nos indicadores de desempenho da administração para medir eficiência dos bancos de teste.
Figura 16. Esquema do Armazenamento dos Dados.
Esses arquivos de folha de teste são isentos de qualquer tipo de formatação, fórmula ou outro elemento que possa aumentar seu tamanho, ou seja, pode-se dizer que se tratam de dados “brutos”. Com o intuito de ocupar o menor espaço possível no servidor, eles possuem somente informações numéricas que representam os valores de todos os canais aquisitados durante o ensaio formando apenas uma “massa de dados”.
Figura 14. Detalhe do Horímetro.
AVISO DE MANUTENÇÃO DINAMÔMETRO – Um contador, que tem como referência o horímetro, mostra um aviso na tela a cada certa quantidade de horas definidas pelo departamento de manutenção. O aviso só é resetado após a manutenção preventiva do dinamômetro. Esse tipo de lembrete para o usuário faz com que os períodos de manutenção sejam cumpridos evitando-se paradas indesejadas nos testes para manutenções corretivas.
Essas massas de dados são disponibilizadas na rede local, única e exclusivamente, para o departamento de Engenharia executar suas respectivas análises. IMPORTAÇÃO E ANÁLISE DOS DADOS A fase de importação e análise dos dados é executada por um outro software especialmente dimensionado e desenvolvido para análises de engenharia. A instalação desse software é executada nos computadores do departamento de Engenharia para ser utilizado quando necessário.
CALIBRAÇÃO – O sistema possui telas auxiliares de calibração onde, comparando-o com equipamentos padrões certificados, é possível realizar os ajustes necessários para manter seu bom funcionamento e a garantia de confiabilidade de suas medições.
Antes da análise propriamente dita, o arquivo de folha de teste, ainda como uma massa de dados, é impossível de ser analisado. Por isso, é necessário que o arquivo seja condicionado através de algumas etapas que foram previamente programadas no software de análise: Figura 15. Tela auxiliar de Calibração.
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Importação; Filtragem; Formatação; Tabela de Limites; Relatório Final.
IMPORTAÇÃO – É possível rastrear e selecionar o arquivo de folha de teste a ser analisado e redirecioná-lo do diretório da rede local para os computadores da engenharia.
data e hora da medição, etc. Nessa etapa também ocorrem os cálculos entre os valores para a formação dos dados calculados.
Figura 17. Esquema de Importação dos Dados.
Figura 20. Classificação e organização dos Dados.
TABELA DE LIMITES – Alguns dados são submetidos a uma tabela de limites onde é feita uma comparação entre os valores. Isso ocorre com a finalidade de se realizar uma pré-análise do teste antes da avaliação do departamento de Engenharia propriamente dita. RELATÓRIO FINAL – Exibe o relatório completamente formatado com gráficos comparativos, tabelas de limites e dados de aprovação para uma análise detalhada do departamento de Engenharia.
Figura 18. Tela de Importação dos Dados.
FILTRAGEM – Consiste na eliminação dos dados irrelevantes ao tipo de teste a ser analisado, deixando apenas o que é pertinente à produção do relatório final.
Figura 21. Relatório pronto para a análise final.
Todas essas etapas são realizadas de maneira automática. Assim que o arquivo de folha de teste é solicitado, o software executa todas as operações necessárias para que o relatório final seja concluído o mais rápido possível.
Figura 19. Eliminação dos dados irrelevantes ao Relatório.
Figura 22. Esquema do processo automático da Importação e Análise dos Dados.
FORMATAÇÃO – Classifica e organiza os dados conforme sua respectiva categoria, sejam valores numéricos, características do motor, unidades de medida,
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CONCLUSÃO SISTEMA “ON-LINE” – É importante ressaltar que a intenção da integração de todas as etapas dos sistemas de teste e análise é a de agilizar, sem perder a confiabilidade, todo o processo de desenvolvimento de motores, transformando-o em um sistema “on-line”.
Figura 23. Esquema do Sistema On-line.
Enquanto num determinado momento um teste é preparado, outro é realizado e um outro é analisado. Dessa maneira, os recursos necessários para a realização de outros testes e análises são mais rapidamente liberados, possibilitando a execução de cronogramas mais enxutos, em um tempo de desenvolvimento menor e com custos de projeto menores. Nos testes realizados com o novo sistema, observouse queda de vinte por cento no tempo de desenvolvimento. Entenda-se como “tempo de desenvolvimento” o ciclo que se inicia a partir da preparação do teste até análise final dos dados. Pretende-se reduzir ainda mais esse tempo. Pelo menos quarenta por cento do atual. Com o desenvolvimento e ajustes constantes no sistema e treinamentos adequados para os usuários, acredita-se que a meta é bem razoável de ser alcançada e, pretensiosamente, até ultrapassada.
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