NI Engineering Impact Awards

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1 NI Engineering Impact Awards Soluzioni e applicazioni 2015 italy.ni.com/solutions

2 Dal 1999 il System Integrator certificato per l integrazione dei prodotti National Instruments software and instrumentation for test and measurement Sitem srl - Via Merano, 7/ Genova tel

3 Sommario Advanced Manufacturing and Control Developing a High-Speed, High-Accuracy Measuring System for Automotive Screw Inspection Realizzazione di un sistema di misura per la regolazione dello spessore di film plastici in una linea di produzione Sistema di calcolo per l ottimizzazione della posizione di barre di Cobalto-60 basato su LabVIEW Smart City: monitoraggio strutturale dei principali monumenti della città di Verona Monitoraggio degli indici fondamentali di linee di produzione di relay in ambito automotive COSMEC MACHINE 2 C.P.S. 4 IPSES 6 IRS 8 OMRON AEC 10 La risposta acustica per il controllo qualità del Parmigiano Reggiano CONSULENTE ACUSTICA VIBRAZIONI, MAGYC, CONSORZIO PARMIGIANO REGGIANO 12 Acquisizione dati (condition monitoring e collaudo) a bordo macchina SITEM 14 The New Frontier of Silence: How to Develop the Washing Machine of the Future WHIRLPOOL 16 Advanced Research Sistema di controllo sviluppato da Bosch Rexroth per il centro di Ricerca e Innovazione Strutture e Infrastrutture dell Università di Messina (CERISI) BOSCH REXROTH 18 The FAST Module: An Add-On Unit Based on FlexRIO for Driving Scanning Tunneling Microscopes to Video Rate and Beyond Nuova piattaforma personalizzata di microscopia ottica ELETTRA IOM-CNR TASC LABORATORY VACUUM FAB, SITEM, CNR-IBF SEZIONE DI GENOVA Applicazione LabVIEW per lo studio e analisi dei mercati finanziari UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI SALERNO 24 Misura della caratteristica corrente-tensione (I-V) di dispositivi a due e tre terminali in un laboratorio didattico universitario Preserving Historical Heritage Memory With Dynamic Tests Sistema portatile per la misura delle forze sviluppate nelle corse di ultraendurance UNIVERSITÀ DEL PIEMONTE ORIENTALE ABGroup ENGINEERING, UNIVERSITY OF PALERMO DIEGM UDINE, DSMB UNIVERSITÀ DI UDINE CytoFinder: A New Device for Circulating Tumour Cell Detection Based on Single-Cell Metabolic Features UNIVERSITY OF UDINE 32 Aerospace and Defense A New Design Approach for an EGSE System for Image Detector Characterization PRAGMA ENGINEERING 34 Acquisizione e controllo dati di un motore a razzo ibrido UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II 36

4 Sommario Consumer Electronics Test Realizzazione di un banco di collaudo a fine linea di motori elettrici a basso voltaggio Test Funzionale LowCost: come spostare l intelligenza dal microchip al Tester, pilotandolo direttamente dalla piattaforma NI TestStand, via seriale RS232 Piattaforma integrata boundary scan e funzionale per il test di schede ad alta complessità C.P.S. SISTEMI 38 GICAR 40 IPSES 42 TriHedron: test su elettrodomestici IRS 44 Sistema automatico per test di produzione su relé bistabili di potenza PRAGMA ENGINEERING 46 Implementation of a Cellular Phone Automotive Grade Validation SEICA 48 Developing a Versatile Test System to Reduce Semiconductor Cost of Test SYNERGIE CAD INSTRUMENTS 52 Energy Sistema di controllo Real-Time di un impianto mobile per la produzione di idrogeno da fonti rinnovabili Realizzazione del controllo dell elettronica di potenza di un sistema di ricarica Wireless (Wireless Power Transfer) basato su tecnologia CAN Oil and Gas Multiphase Flow Meter (VEGA) Control Software on Dual Redundant CompactRIO Controllers ISWEC (Inertial Sea Wave Energy Converter): un sistema giroscopico innovativo per produrre energia dalle onde ITEL TELECOMUNICAZIONI 54 POLITECNICO DI TORINO 56 TEA SISTEMI 58 WAVE FOR ENERGY 60 RF and Communications Sviluppo di un sistema di emulazione del ritardo satellitare tramite schede dotate di FPGA programmabile dall utente Modem OFDM configurabile: simulazione in LabVIEW e sviluppo su apparati NI USRP 2920 IPSES 62 POLITECNICO DI BARI 64 Trasmettitore IEEE WRAN UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARI 66

5 Sommario Transportation Strumenti integrati per la validazione e verifica del modello EAST-ADL nei test di fault injection Developing an OEM Rapid Control Prototyping and Intelligent Data Acquisition Platform based on the NI System on Module Simulazione real-time HIL per la verifica funzionale della centralina embedded di supervisione del veicolo IVECO Daily Electric Rapid Control Prototyping per il sistema di sollevamento di una Lamborghini Aventador xtlogix sistema Real-Time per l analisi e lo sviluppo dei componenti di una trasmissione a cinghia Sviluppo di un sistema di caratterizzazione e collaudo di mezzi ferroviari secondo le norme STI 2011/291/UE, EN 14363:2005 Sviluppo di una stazione di test EOL (End-Of-Line) per una linea di produzione di attuatori elettrici per turbocompressori in ambito automotive Sviluppo di un banco prova per la caratterizzazione meccanica ed elettrica di motori elettrici DC brushed Convertitore di parametri CAN bus dei veicoli a segnali analogici per test su banchi a rulli Misura e analisi della potenza elettrica a bordo di veicoli ibridi ed elettrici presso il Joint Research Center (Ispra Italia) Advancing Subaru Hybrid Vehicle Testing Through Hardware-in-the-Loop Simulation 4S GROUP 68 ALMA AUTOMOTIVE 70 IVECO, AMET 72 LAMBORGHINI 74 BYLOGIX 76 EN4, SVI 78 EN4, MAGNETI MARELLI 80 EN4, MAGNETI MARELLI 82 EURINS 84 EURINS 86 FUJI Heavy Industries, Ltd. 88 Digital Instrument for Automatic Network Analysis INTECS 90 Embedded Software and Hardware Validation of Automotive Engine Control Unit by means a flexible Real-Time and Full-Power Test Platform Banco di test EOL per test funzionali sui trasmettitori RF di chiavi di autovetture basato su piattaforme NI I.P.R. SYSTEMS 92 IPSES 94 Developing a Railway Switch Inspection Robot LOCCIONI GROUP 96 Piattaforma di testing per sistemi di guida cooperativa MEDIA MOTIVE 98 Architettura di sistema per la sala prove componenti con stazioni di test autonome multicomponente a elevata disponibilità e analisi dei dati centralizzata Embedded Monitoring System to Evaluate Commercial Fishing Vessel Performance Sistema distribuito di acquisizione e monitoraggio della dinamica di marcia per l omologazione di un treno ad alta velocità MET 100 META, ISMAR CNR 102 POLITECNICO DI MILANO 104 Caratterizzazione del comportamento aerodinamico di un treno ad alta velocità POLITECNICO DI MILANO 106 Active Tire Pressure Control (ATPC): sviluppo di un sistema CTI per applicazione su veicolo passeggeri POLITECNICO DI TORINO 108 Sistema di test per Encoder di linea con impianto di segnalamento PRAGMA ENGINEERING 110 Revamping a Test Bench for Automotive Transmission Parts SITEM 112 Developing a Custom Engine and Vehicle Control Unit for a Formula Student Racecar Using Single-Board RIO UNIVERSITY OF BOLOGNA 114

6 Advanced Manufacturing and Control Developing a High-Speed, High-Accuracy Measuring System for Automotive Screw Inspection Francesco Romanò COSMEC MACHINE THE CHALLENGE Developing a real-time application to monitor a system with more than 600 parts per minute and more than 15 different measures (including height, diameter, thread control, top view with screw head cracks Quality Control) with very tight timing in an environment that is full of iron powder. THE SOLUTION Creating a custom solution based on four NI 1772 Smart Cameras and an IP67, and using LabVIEW to develop the software. We started this project by upgrading a standard machine based on a reconfigurable vision system. We noticed the reconfigurable system s limitations quickly, so we decided to migrate to a fully programmable platform that could create a tailor-made solution based on customer requirements. The high-performance NI Smart Cameras are a good solution for this application because they include high-quality CCD combined with a powerful processor. Everything is well integrated in an IP67 mechanical design with waterproof cabling and optical protection. The dust in the air posed one big problem because iron powder is present in a high concentration. We solved this problem by integrating all IP67 components. We based all the vision algorithms on the NI Vision Development Module and tested them in a high volume of parts before the final release. A key feature is the chance to customize each vision functionality to guarantee the best performance and avoid false-reject. With high-volume production, a sufficient low percentage of fail-rejection can cause high costs for waste parts. The machine has the same footprint as the previous one, but guarantees about double the production rate. All these circumstances have helped a single project to become repetitive with good economic returns for both the machine manufacturer and the customer. The operator can manage the camera s configuration from the same GUI. The operator can configure the machine parameter, view alarms and fault conditions, and configure the camera s acquisition and all the camera s measuring algorithms. The operator has only one interface and from this LabVIEW platform he can manage all the machine s configurations. Results The result is an easy-to-use system with a small footprint. The system is based on a rotating table, four NI Smart Cameras, an Eddy current sensor (with other mechanical test options), and one panel PC for the GUI based on Windows (for non-time critical issues). Products used: LabVIEW Smart Cameras Vision With a goal of user-friendly software, we focused a lot of attention on the GUI. All is designed to allow operators to quickly configure a new product with measures and Pass Fail conditions. The system works like a database to store different production configurations labeled with the part numbers. Users can configure the interface with the touch panel, no keyboard or mouse are required. The high-performance NI Smart Cameras are a good solution for this application because they include high-quality CCD combined with a powerful processor. Figure 1: Rotating table with four NI Smart Cameras includes three cameras for the side view and one for the top view. 2 italy.ni.com

7 Figure 2: Cosmec screw sorting machine has an approximately one square meter footprint. The HMI is visible on the top and the screw entrance is on the back. The red channel is for fail parts and the green is for good ones. Figure 3: The HMI dashboard shows all images with measures and statistics information. italy.ni.com 3

8 Advanced Manufacturing and Control Realizzazione di un sistema di misura per la regolazione dello spessore di film plastici in una linea di produzione Davide Cappelletto C.P.S. LA SFIDA Realizzare il sistema di regolazione dello spessore di film plastici in una linea di produzione. L obiettivo è acquisire le misure in funzione della dimensione del film plastico prodotto e, contemporaneamente, elaborarle al fine di regolarne lo spessore desiderato, evitando l insorgere di imperfezioni. LA SOLUZIONE Il sistema di misura è composto da uno strumento a raggi X, in grado di acquisire la misura dello spessore del film plastico e restituire un valore analogico proporzionale a tale misura. Tale segnale è acquisito dalla piattaforma NI CompactRIO che si occupa di elaborare tale misura e di fornire alla macchina le giuste informazioni per la movimentazione di pistoni meccanici in grado di regolare la corretta fuoriuscita di materiale plastico per la creazione del film. L interfaccia utente è realizzata in NI LabVIEW e si occupa di controllare il sistema CompactRIO e di visualizzare a video le acquisizioni e la regolazione dello spessore. Nella produzione di film plastici la misura dello spessore è fondamentale in quanto una misura corretta coincide con un risparmio di materia prima (e quindi di denaro). Avere un sistema che effettua la misura direttamente sulla linea di produzione, prima di terminare la bobina, permette di sapere immediatamente se si sta impiegando troppo matariale e, quindi, permette di correggere subito lo spessore del film. Inoltre, con un sistema in grado di scansionare longitudinalmente la bobina, si è anche in grado di stabilre il livello di planarità del prodotto per evitare di ottenere una bobina con imperfezioni al suo interno. L architettura è composta da sistemi di misura costituiti da un sensore in grado di muoversi longitudinalmente lungo la bobina, eseguendo una misurazione precisa dei settori di cui è costituita. Il nostro sistema di misura è composto da un sensore a raggi X a bassa tensione, che non prevede vincoli di sicurezza, da una guida lineare di diverse larghezze, in funzione della massima dimensione delle bobine prodotte, e da un quadro elettrico al cui interno si trova la piattaforma CompactRIO ed un PC touch adoperato come interfaccia utente. La configurazione del sistema definisce le caratteristiche basi del misuratore, come per esempio la dimensione della guida; si tratta ovviamente di un operazione preliminare eseguita dal tecnico installatore. La calibrazione del sensore prevede l acquisizione di una serie di campioni di un materiale molto simile a quello prodotto dal cliente finale. Questa è la fase più importante e delicata dell installazione (e della future manutenzioni) in quanto l utilizzo di campioni non certificati può portare a misure incorrette. Per garantire la correttezza della misura, vengono sottratti ad essa eventuali errori meccanici lungo la guida al fine di ottenere una tabella di dati coerenti e utili alla piattaforma CompactRIO per la fase di analisi. Tali compensazioni consistono in una serie di scansioni lungo l intera corsa della guida, che vengono registrate e Le fasi di lavorazioni si suddividono in: configurazione del sistema calibrazione del sensore configurazione delle ricette di misura o parametri di targa misurazione. La robustezza e l affidabilità hanno portato il cliente a scegliere LabVIEW e la piattaforma CompactRIO per lo sviluppo del sistema di misura e analisi dei dati. Figura 1: Pannello frontale realizzato in LabVIEW per monitorare le misure. 4 italy.ni.com

9 Figura 2: Pannello frontale realizzato in LabVIEW per la compensazione meccanica. Misuratore installato nella linea di produzione. Figura 3: Misuratore installato nella linea di produzione. confrontate con la posizione di riferimento assunta dal sensore. Tali differenze saranno poi applicate, in sottrazione, al momento della misura. Al termine della calibrazione vengono effettuati inoltre una serie di test su un campione del materiale prodotto dal cliente finale per verificare la correttezza delle misure e la loro ripetibilità. La fase successiva prevede la definizione dei parametri di targa in particolare la larghezza della bobina, i settori che la compongono, lo spessore desiderato con i relativi valori di tolleranza e di allarme. Inoltre vanno definiti i parametri di regolazione dello spessore, che avviene applicando un fattore proporzionale all errore misurato. L informazione proveniente dal sistema CompactRIO comanda, via Modbus RS485, dei Triac (TRIode for Alternating Current) che regolano la potenza su dei bulloni meccanici che, scaldandosi, regolano la fuoriuscita di materiale plastico, secondo lo spessore desiderato. In questo modo, più si scalda il bullone, minore sarà lo spessore ottenuto sul film. Ciascuno di questi bulloni corrisponde ad un settore della bobina prodotta in modo tale da poter controllare lo spessore di ogni settore. Ci sono due modalità di avvio del sistema, una manuale ed una remota. La prima prevede l intervento di un operatore che interagisce manualmente con l interfaccia grafica presente sul PC per la regolazione dello spessore. La seconda invece è realizzata per mezzo del collegamento remoto via Modbus descritto precedentemente. Questa seconda soluzione è quella che viene utilizzata più frequentemente perchè permette al produttore di avere sotto controllo il sistema di misura, osservando direttamente un interfaccia uomo-macchina (HMI). Tutti i dati sono rappresentati su grafici che mostrano l andamento trasversale delle misure evidenziando la planarità della produzione. Per garantire la buona qualità della regolazione e della produzione del film plastico, viene valutata la deviazione standard delle misure ottenute durante le ripetute scansioni del sensore sulla bobina, in quanto più è basso questo valore, più costante è l andamento longitudinale delle misure e quindi migliore il prodotto finale. Periodicamente sono inoltre previste delle fasi di calibrazione del sensore per eventuali errori prodotti da un calo di performance del generatore a raggi X o da altri fattori esterni, quali sporco che si deposita sul sensore e variazioni di temperatura ambientale. Questa funzione prevede la misura di due campioni, spessore zero (nessun campione) e spessore infinito (tipicamente un otturatore metallico). I due valori ottenuti sono utilizzati, poi, per compensare le successive misure effettuate dalla piattaforma CompactRIO. Risultati I benefici di una progettazione grafica, le prestazioni avanzate garantite da un architettura Real-Time, la robustezza e l affidabilità hanno portato il cliente a scegliere LabVIEW e la piattaforma CompactRIO per lo sviluppo del sistema di misura e analisi dei dati. Prodotti utilizzati: LabVIEW LabVIEW Real-Time LabVIEW FPGA CompactRIO Una volta avviato il sistema, la terza fase prevede la selezione dei parametri di targa che successivamente vengono inviati alla piattaforma CompactRIO, dando il via all analisi. Le misure acquisite dal sistema CompactRIO sono messe in correlazione con la posizione del sensore per avere una corrispondenza tra la misura ed il settore della bobina; tutti i dati sono bufferizzati e trasferiti al PC che, al termine della scansione, esegue le medie di ogni settore e decide se si deve intervenire sulla regolazione. italy.ni.com 5

10 Advanced Manufacturing and Control Sistema di calcolo per l ottimizzazione della posizione di barre di Cobalto-60 basato su LabVIEW Alessandro Ricco IPSES LA SFIDA Realizzare un sistema in grado di calcolare in 7-10 giorni la disposizione migliore di barre di Cobalto-60 all interno di una rastrelliera, in modo da produrre l irraggiamento più uniforme possibile su una data superficie. Il calcolo dovrà tenere conto di aspetti economico e logistici legati all impianto. I risultati dovranno essere presentati in modo organico per permettere una rapida interpretazione e le decisioni corrette. LA SOLUZIONE Per la ditta Gammatom è stato realizzato un sistema di calcolo che si basa su un algoritmo mirato alla ricerca della soluzione ottima di irraggiamento sfruttando metodi di calcolo parallelo e distribuito per ridurre il numero di combinazioni. Per conto della Gammatom, ditta leader nell applicazione delle tecnologie di irraggiamento in vari settori industriali e di ricerca e, dagli anni 80, uno dei cinque centri mondiali per l esecuzione di prove di irraggiamento su componentistica elettronica destinata all industria aerospaziale, è stato realizzato un software per il calcolo della posizione ottimale di barre di Cobalto-60. Il Cobalto-60 è utilizzato nell impianto come sorgente di raggi γ. Le radiazioni gamma sono onde elettromagnetiche ad alta energia (fotoni), prive di massa e di carica elettrica, caratterizzate da una profonda penetrazione. L assenza di massa riduce al minimo l interazione con la materia ed è per questo che le radiazioni gamma vengono definite indirettamente ionizzanti. Sono emesse da isotopi instabili (radioisotopi) e raggiungono la condizione di stabilità attraverso il fenomeno del decadimento che non comporta la formazione di scorie radioattive. Il radioisotopo utilizzato dall impianto è il Cobalto-60 (60Co) che deriva dall arricchimento con un neutrone del nucleo del 59Co esistente in natura. Tale radioisotopo è praticamente l unico utilizzato a livello mondiale nei processi di irraggiamento con fotoni. L emissione fotonica dei radioisotopi è certa e segue precise leggi fisiche; questo permette di conoscere a priori la dose che si andrà a somministrare. Lo scopo del sistema di calcolo è quello di trovare il posizionamento delle barre all interno della rastrelliera che garantisca la miglior uniformità di irraggiamento possibile sulla superficie dei materiali da sterilizzare, garantendo in questo modo che il materiale venga trattato con l esatta dose necessaria. Il numero teorico di combinazioni di posizioni possibili per raggiungere la soluzione ottima è di 10198: risulta evidente che un algoritmo che esplori tutte le soluzioni non è quindi una scelta percorribile. L algoritmo è stato quindi costruito tenendo conto di alcuni vincoli che ne hanno ristretto il campo di soluzioni da esplorare considerando alcune limitazioni sia di carattere economico, sia logistico, legati alla natura stessa dell impianto. Questo ha permesso di ridurre le combinazioni da valutare a circa 70 miliardi, che rimane in ogni caso un numero significativo. Per questo motivo il sistema hardware scelto è composto da 4 PC industriali alloggiati all interno di un rack. I PC sono connessi tra L uso di dispositivi medici in plastica non sterilizzabili a calore e le implicazioni legate all uso del gas Ossido di Etilene hanno prodotto negli ultimi trent anni un crescente sviluppo della sterilizzazione per irraggiamento gamma. Il maggior vantaggio di questo processo consiste nell avere la dose assorbita come unico parametro su cui esercitare il controllo. Le sorgenti gamma dell impianto sono contenute in 80 barre, organizzate all interno di una rastrelliera da 120 posizioni. Grazie all utilizzo di LabVIEW è stato possibile sia realizzare un sistema di calcolo parallelo sui diversi core sia un sistema distribuito sui diversi server. Figura 1: L applicazione client mostra la lista delle soluzioni trovate dai 4 Server. 6 italy.ni.com

11 Figura 2: Visualizzazione 3D dell irraggiamento generato e calcolo della deviazione standard. Figura 3: Parte di codice del server di calcolo distribuzioni, nella parte in basso i loop paralleli di calcolo, nella parte in alto le funzioni di comunicazione con l applicazione principale. loro tramite rete Gigabit. Il sistema, nel suo complesso, può quindi contare sulla potenza di calcolo distribuito e parallelo su diversi core. L algoritmo è stato realizzato per sfruttare appieno la potenza di calcolo del rack. È stata implementata un architettura Client/Server dove il client è l applicazione di supervisione e controllo dell esecuzione del calcolo e i server sono le applicazioni che eseguono i calcoli. Esiste un applicazione Server su ognuno dei 4 PC del rack, la singola applicazione server implementa il calcolo parallelo in modo da sfruttare al massimo i 6 core presenti sul processore; inoltre le applicazioni server comunicano tra loro e con il client realizzando un sistema di calcolo distribuito e completamente scalabile, su rete Ethernet. Grazie all utilizzo di LabVIEW è stato possibile sia realizzare un sistema di calcolo parallelo sui diversi core, sfruttando la naturale caratteristica di parallelismo offerta dal linguaggio, sia un sistema distribuito sui diversi server, tramite l uso delle funzioni Network Streams su rete Gigabit. L algoritmo che viene eseguito sui server è in grado di calcolare l irraggiamento risultante da una certa disposizione delle 80 barre su una superficie di 5.500mm x 2.880mm e con una risoluzione di 100mm sia in verticale, sia in orizzontale, oltre che di eseguire su questo una serie di calcoli statistici al fine di determinarne lo score di miglioramento dell irraggiamento prodotto. Il sistema hardware e software così strutturato è in grado di garantire ottime performance eseguendo circa calcoli di irraggiamento al secondo che equivale ad un calcolo ogni 12,5µs. Su questo gruppo, dell ordine delle centinaia di soluzioni, il client esegue nuovi calcoli di irraggiamento sulla superficie a risoluzione elevata (un punto ogni 10mm) e ricalcola gli score e i dati statistici di ogni soluzione. I dati calcolati dal client vengono presentati all utente in modo che questo possa interpretare i valori in modo efficace e possa di conseguenza prendere la decisione finale su quale sia la migliore soluzione di posizionamento delle barre. I dati sul client vengono mostrati da diverse prospettive, è possibile eseguire analisi sulle deviazioni standard dell irraggiamento in ogni punto delle superficie, comparare i valori di irraggiamento di ogni soluzione trovata con l irraggiamento generato dalla disposizione attuale delle barre, verificare la simmetria dell energia irraggiata sulla superficie e visualizzare l irraggiamento in 3D. Tutte le visualizzazioni generate possono essere stampate su report. Il client permette inoltre di conoscere in ogni momento lo stato di esecuzione dei calcoli sui server e di verificarne alcuni parametri come l uso della CPU e della RAM. Risultati Un sistema di calcolo in parallelo, in grado di generare delle soluzioni che garantiscono una migliore uniformità di irraggiamento in circa 7 giorni di calcolo. Prodotti utilizzati: LabVIEW Le soluzioni migliori trovate da ogni server vengono comunicate tramite rete al client, che le raggruppa nell insieme di soluzioni complessive. italy.ni.com 7

12 Advanced Manufacturing and Control Smart City: monitoraggio strutturale dei principali monumenti della città di Verona Carlo Testa, Nicola Milani, IRS LA SFIDA Realizzare un sistema di monitoraggio distribuito per il controllo dei parametri strutturali dei monumenti della città di Verona. Le misure riguardano grandezze statiche e dinamiche acquisite da sensori posizionati in punti critici delle strutture. La misura delle caratteristiche vibrazionali richiedono sia elevate frequenze di campionamento, sia sincronismo nelle misure. LA SOLUZIONE IRS ha realizzato un sistema di monitoraggio strutturale distribuito per la città di Verona. Grazie alle caratteristiche tecniche dell hardware e del software National Instruments, la città di Verona dispone ora di un server centrale dove è possibile seguire l andamento nel tempo delle condizioni strutturali dei suoi principali monumenti costituendo un esempio di scuola per quello che riguarda una città connessa. Scopo principale del sistema è il monitoraggio continuo di una serie di misure di tipo sia statico che dinamico provenienti da sensori distribuiti all interno di alcuni importanti monumenti della città di Verona, in particolare il Teatro Romano, il museo di Castelvecchio e la Torre dei Lamberti. Un server centrale combina i dati acquisiti dal monitoraggio dell Arena di Verona e dal sito delle Arche, già realizzati da IRS. Su ogni monumento è installato il sistema StructuralX, la piattaforma di monitoraggio strutturale di IRS basata su hardware e software National Instruments, che comprende il sistema di raccolta dei dati acquisiti dai sensori, il software di supervisione e il modem per la trasmissione dei dati a un server di raccolta centralizzato. StructuralX utilizza la flessibilità e la robustezza della piattaforma hardware di acquisizione NI CompactDAQ. L utilizzo di questi dispositivi ha consentito di integrare con facilità i diversi tipi di grandezze con le relative modalità di campionamento. La modularità dell hardware di acqusizione consente la gestione sia di misure lente che veloci. alla temperatura e l umidità rilevate in determinati punti della struttura, e le misure della direzione e velocità del vento. Il sistema è composto da sei unità per l acquisizione e la gestione dei dati, da due unità wireless e dal software di supervisione e monitoraggio Structural X. Le due unità wireless acquisiscono le grandezze lente, come la temperatura, l umidità e le misure provenienti da sensori di spostamento, e gli altri sei quadretti che gestiscono la misura di tutte le grandezze dinamiche (accelerometri) e di ulteriori grandezze statiche. In uno dei sei quadretti è presente il router WSN che funge da riferimento e punto di raccolta per i due acquisitori di tipo WSN Per quanto riguarda il Teatro Romano sono stati installati tre quadri: uno su un lato delle gradinate (chiesa), uno sull altro fianco (museo) e uno sulla scena. Un quadretto è stato installato nella Torre Il monitoraggio di alcune aree interessate dal flusso di visitatori e la conseguente necessità di un ridotto impatto estetico hanno influito sulla scelta di strumenti di acquisizione di piccola dimensione che sfruttano la connessione di tipo wireless dei moduli NI Wireless Sensor Networks (WSN). Le rilevazioni riguardano le misure acquisite da trasduttori accelerometrici monoassiali per l analisi delle caratteristiche vibrazionali della struttura, le misure acquisite da sensori di spostamento di tipo potenziometrico per la verifica dello stato di alcune crepe e fessurazioni, le misure da inclinometri per verificare le variazioni di inclinazione di pareti in stato critico, le misure ambientali relative L utilizzo di questi dispositivi ha consentito di integrare con facilità i diversi tipi di grandezze con le relative modalità di campionamento. Figura 1. 8 italy.ni.com

13 Lamberti e gli altri due con gli acquisitori wireless sono stati posizionati all interno di Castelvecchio nel Mastio e nella zona museale. Risultati Il server di raccolta centralizzato concentra i dati provenienti dai sistemi di misura dei principali monumenti di Verona. Prodotti CompactDAQ Wireless Sensor Networks Figura 2. italy.ni.com 9

14 Advanced Manufacturing Control Monitoraggio degli indici fondamentali di linee di produzione di relay in ambito automotive Ivano Adiutori OMRON AEC LA SFIDA Analisi/studio real-time e storaging di indici aziendali, relativi a linee di produzione di relay automotive (12V) affinché venga mantenuta la produttività e l efficienza delle linee stesse. LA SOLUZIONE Tramite l ausilio di NI LabVIEW è stato sviluppato un sistema di monitoraggio che consente di prelevare dati dalle singole macchine di produzione, elaborarli e mostrarli su dei monitor da 42 affinché siano visibili in tutti i reparti dello stabilimento. Le nostre linee di produzione si trovano all interno di una camera bianca, o cleanroom, che consiste in una stanza ad atmosfera controllata, in termini di pressione atmosferica e inquinamento particellare. Un problema riscontrato da anni riguarda la difficoltà nel comprendere l andamento dei dati produttivi (quali efficienze delle linee, scarto, costi dello scarto, etc.) al termine e durante il turno di lavoro. Attraverso questo innovativo sistema siamo ora in grado di condividere e tenere sotto controllo in tempo reale i più importanti indici di produzione. Quest ultimi sono proiettati su grandi monitor da 42 visibili a tutti gli operatori nei reparti produttivi. In questo modo azioni correttive e anomalie durante i processi di produzione possono essere gestite e intraprese tempestivamente. Utilizzando NI LabVIEW e i driver NI VISA, sono state implementate tutte le funzioni relative ai protocolli di comunicazione tra computer e PLC. La facilità e velocità di programmazione in LabVIEW ha consentito di gestire agilmente tutte le funzioni che il protocollo Omron Sysmac Way richiede. Il software consente di accedere ai dati da remoto e di inviare agli operatori, tramite , il report dei dati produttivi raccolti all interno di un turno di lavoro. La condivisione dei dati e la sua visualizzazione è stata realizzata per mezzo di variabili, chiamate Network Published Shared Variable, in grado di leggere e scrivere informazioni tramite rete Ethernet. tramite LabVIEW. Utilizzando questa applicazione è stato possibile creare cruscotti per visualizzare i valori di variabili condivise pubblicate in rete e servizi web LabVIEW distribuiti. Tale architettura ha consentito di monitorare i dati produttivi in qualsiasi momento e luogo, utilizzando dispositivi wireless e mobile. Risultati L utilizzo di tale piattaforma ha garantito un incremento del 10% in termini di efficienza e produttività nei reparti garantendo un risparmio economico di circa euro l anno. Ciascun dipendente della nostra azienda risulta ora informato in tempo reale sull andamento della produzione, consolidando quindi lo scambio di informazioni all interno dell ambiente lavorativo. Prodotti utilizzati: LabVIEW NI Data Dashboard La programmazione grafica di LabVIEW, che utilizza icone, terminali e collegamenti invece che il testo, permette di programmare nel modo in cui si pensa un algoritmo. La soluzione adoperata ha consentito di comunicare con i PLC che non potevano essere collegati in rete e, contemporaneamente, di accelerare la produttività e risolvere tempestivamente eventuali problemi in produzione. Tale architettura ha consentito di migliorare le performance della linea produttiva e di ottenere una soluzione mantenibile, modulare e leggibile per l intero staff di lavoro. La remotizzazione dei dati è stata realizzata invece per mezzo dell applicazione NI Data Dashboard che permette di creare interfacce personalizzate e portatili di applicazioni sviluppate L utilizzo di tale piattaforma ha garantito un incremento del 10% in termini di efficienza e produttività nei reparti. Figura 1: Struttura HW del sistema basato su connessione seriale 232 lato PLC e comunicazione bluetooth lato PC. 10 italy.ni.com

15 Figura 2: Applicazione del supervisore generale mostrata su un monitor da 42. Figura 3: Posizione dei monitor nelle diverse aree di produzione. italy.ni.com 11

16 Advanced Manufacturing and Control La risposta acustica per il controllo qualità del Parmigiano Reggiano R. Russo 1, G. Campos 2, M. Tatti 2, A. Pecorari 3 CONSULENTE ACUSTICA VIBRAZIONI 1, MAGYC 2, CONSORZIO PARMIGIANO REGGIANO 3 LA SFIDA La percussione del martelletto è uno dei controlli di qualità finali del Parmigiano Reggiano. L operatore, con la sua esperienza e finezza di udito, ricava un giudizio sulla struttura interna del formaggio. Il risultato è di tipo soggettivo. La sfida è stata quella di ottenere la qualificazione del prodotto in modo numerico, proprio a partire dall esperienza del battitore. LA SOLUZIONE Prove di analisi modale con diversi tipi di eccitazione, non sono risultate idonee per una correlazione fra modi propri di vibrare e tipi di difetti data la non linearità e l alto smorzamento dell oggetto in prova. L identificazione della risposta acustica nel dominio del tempo (ampiezza, fase, frequenza e smorzamento), correlata con il giudizio del battitore, appare un valido modo per risolvere il problema. Ogni forma di Parmigiano Reggiano, secondo il regolamento disciplinare del relativo consorzio, viene sottoposta a vari esami fra cui la battitura, la percussione del martelletto sulla forma. Con la relativa auscultazione, il battitore ricava così un giudizio sulla struttura interna del formaggio. Il controllo richiede esperienza e una particolare finezza uditiva e olfattiva. Essendo un metodo soggettivo, costoso e dai tempi lunghi, presso il consorzio del Parmigiano Reggiano è in corso un attività sperimentale atta a sostituire, con un metodo numerico, il giudizio a orecchio del battitore esperto. Dato che la risposta acustica dipende dalle caratteristiche dinamiche del campione, si è proceduto inizialmente e in via sperimentale con prove di analisi modale. Il metodo non è applicabile a questo caso dato che non vengono soddisfatti i requisiti di linearità, reciprocità, misura puntiforme di eccitazione e risposta, smorzamento non eccessivamente elevato, tale da permettere la propagazione della vibrazione a tutta la struttura. In una prima fase, su due forme precedentemente classificate come prima e seconda scelta, le prove sono state eseguite con eccitazione impulsiva: martello strumentato con cella di carico in un punto fisso e risposta con accelerometro su tutti i punti della geometria. Le risposte in frequenza FRF sono state acquisite in una banda di 800 Hz con 800 righe spettrali e quindi con durata di 1 sec. Il segnale utile, dato l elevato smorzamento, è contenuto nei primi 20 millisecondi, mentre i restanti 980 millisecondi contengono solo rumore, attenuato però dalla pesatura della finestra esponenziale che a sua volta altera lo smorzamento calcolato dalla FRF. La risoluzione del parametro modale ottenuto con la trasformata di Fourier sarebbe di 1 Hz se si considerasse tutto il buffer temporale (df=1/t), ma aumenterebbe a 50 Hz se si considerasse la sola durata utile. Da una tipica funzione di trasferimento di cui a fig. 1 si nota che i modi di vibrare non sono di facile identificazione. Tuttavia i modi propri di vibrare sono stati stimati, anche se, come da fig. 2, le deformate modali differiscono in modo non significativo nei due tipi di forme. In una seconda fase e con lo stesso metodo, sono state eseguite le stesse prove in parallelo a quella del battitore, su un certo numero di forme appartenenti a diverse classi. Qui non è stata però riscontrata una corrispondenza deterministica fra i modi propri e la classificazione delle forme. In una terza fase, dato lo smorzamento elevato, le prove sono state eseguite con uno shaker con eccitazione random e sweep-sine. La testa dello shaker tendeva però ad affondare nella crosta e a non trasmettere la vibrazione alla restante parte della struttura. Altre prove sono state eseguite con un vibrometro laser ma con esito negativo in quanto la crosta del formaggio non è in grado di riflettere il raggio laser, a meno di applicare delle targhette riflettenti sulla superficie. Visti i risultati non soddisfacenti al momento ottenuti, si è optato di analizzare, unicamente nel domino del tempo, il segnale del microfono, correlandolo direttamente con l auscultazione del battitore. L uso del metodo in linea alla produzione sarà un ulteriore sfida nella quale NI LabVIEW potrà essere di notevole aiuto. Figura 1: Parte reale e immaginaria di una tipica funzione di trasferimento. 12 italy.ni.com

17 Figura 2: Deformate modali del piatto di due forme di prima e seconda scelta. Figura 3: Segnale originale e segnale ricalcolato con MPM L identificazione nel dominio del tempo è stata eseguita con l algoritmo MPM (Matrix Pencil Method) del NI Advanced Signal Processing Toolkit. un ulteriore sfida nella quale NI LabVIEW potrà essere di notevole aiuto. Questo metodo è un evoluzione del metodo di PRONY sviluppato dal barone Gaspard Riche di Prony nel Le due tecniche sono strettamente connesse poiché stimano un segnale campionato uniformemente, come somma di esponenziali complesse, che rappresentano ampiezza, fase, frequenza e smorzamento, del parametro modale. Prodotti utilizzati: Dynamic Signal Acquisition LabVIEW LabVIEW Toolkit Il metodo di Prony ricava le soluzioni dalle radici di un polinomio, mentre MPM, li ricava come autovalori di una matrice. MPM dà risultati migliori in presenza di rumore ed è computazionalmente più efficiente. A parità di numero di punti del segnale temporale, il calcolo con MPM risulta molto più lento della FFT. Tuttavia con segnali molto smorzati e con una durata, come nel nostro caso di 20 millisecondi, con un campionamento di Hz (adatto alla riproduzione del segnale audio) il buffer temporale contiene solo 882 punti, il che consente di effettuare un analisi in linea al controllo di produzione. Le prove sono state eseguite su tre tipi di campioni. In fig. 3 sono riportati i segnali acquisiti e quelli stimati con MPM. Il segnale ricalcolato coincide quasi perfettamente con l originale e quindi la frequenza e lo smorzamento permettono di classificare le forme. Il segnale ricalcolato, rimandato su un altoparlante permette di verificare a orecchio la congruenza con il segnale originale. È poi possibile riprodurre separatamente il contributo delle singole sinusoidi del segnale sintetizzato. Il metodo dovrà avere una convalida di tipo statistico. Risultati Le prove fin qui condotte hanno individuato un metodo attendibile per affiancare o sostituire una valutazione soggettiva con una di tipo numerico. L uso del metodo in linea alla produzione sarà italy.ni.com 13

18 Advanced Manufacturing and Control Acquisizione dati (condition monitoring e collaudo) a bordo macchina Alessandro Lugli SITEM LA SFIDA Integrare a bordo macchina un sistema di acquisizione dati ad alte prestazioni, affidabile, preciso e ricalibrabile nel tempo, che si possa facilmente integrare con i bus di campo dell automazione della macchina stessa. LA SOLUZIONE Utilizzo di una soluzione basata su piattaforma NI CompactRIO e di un applicativo realizzato in ambiente NI LabVIEW. SITEM SITEM (www.sitemnet.it) è una azienda genovese attiva da 16 anni nel settore del test, della misura e dell automazione industriale.sitem è Silver Alliance Partner di National Instruments dal Sempre più sovente i costruttori di macchine (sia costruttori OEM di macchine speciali sia costruttori di sistemi di assemblaggio automatico e macchine di produzione in genere) hanno l esigenza di integrare, a bordo della macchina stessa, sistemi di misura che siano affidabili in termini di precisione della misura nel tempo (ricalibrabili) e che possano essere facilmente integrati all interno del processo di controllo della macchina, che tipicamente può essere gestita da un PLC o PAC (Programmable Automation Controller). Le norme relative alla qualità e le necessità del cliente finale infatti impongono sempre di più produzioni in regime costantemente controllato e pertanto i sistemi di collaudo e misura rappresentano sempre di più un elemento di valore della macchina, unitamente alla velocità di lavoro della stessa. Inoltre molti clienti finali oggi si affacciano al mondo del condition monitoring, ovvero ritengono utile ed economicamente vantaggioso disporre sulla propria macchina di un sistema in grado di monitorare on-line lo stato di funzionamento della macchina stessa. Per esempio, leggendo e interpretando, con tecniche più o meno complesse di analsi del segnale, alcune grandezze specifiche, quali vibrazioni, emissioni acustiche, temperature e correnti, è possibile avere indicazioni sul come e quando una macchina può avere un comportamento deteriorato e quindi pianificare al meglio, ed in economia, interventi manutentivi. supervisore), un ampia scelta di moduli di acquisizione dati (accelerometri, microfoni, analogici, temperature) e controllo (relè, PWM, output analogici) e una vasta gamma di bus di campo interfacciabili (Profibus, Profinet, Modbus, Ethernet, etc.). Inoltre la tecnologia FPGA, alla base della piattaforma, assicura loop di controllo estremamente veloci, affidabili e a elevate frequenze di acquisizione. Alcuni esempi applicativi SITEM ha sviluppato numerose applicazioni per diversi costruttori e ha realizzato numerose applicazioni di acquisizione dati a bordo macchina, con differenti finalità. In tutti i casi il sistema si interfaccia con la macchina sia per scambio di parametri/stati di funzionamento, sia per scambio di dati di misura/esiti/allarmi. In alcuni casi si è trattato di implementare una comunicazione Profibus in una delle due configurazioni possibili, come illustrato nelle fig. 1 e 2. In altri casi si è gestita una comunicazione diretta su I/O fisico verso il PLC dell automazione, sempre utilizzando il sistema CompactRIO. Relativamente al collaudo, è utile prendere due applicazioni come esempio. La prima effettua un collaudo in linea di produzione di differenti tipologie di candelette di preriscaldamento per una azienda leader mondiale nel settore delle forniture automobilistiche. Qui il sistema di acquisizione, che dialoga con l automazione con un bus di campo, si fa carico di leggere temperature e correnti di dieci DUT simultaneamente sotto test mentre a livello FPGA vengono generate rampe di tensione di riferimento verso Una soluzione che consente di coniugare al meglio tutti questi aspetti è certamente l uso di un architettura PAC di National Instruments basata sulla piattaforma NI CompactRIO. CompactRIO offre caratteristiche uniche che lo rendono la piattaforma ideale: alta resistenza a urti e vibrazioni, compattezza e facilità di integrazione all interno del quadro a bordo macchina, doppia interfaccia di rete (una verso il campo ed una verso il L utilizzo di un sistema basato sulla piattaforma CompactRIO risulta efficiente, affidabile e agevolmente integrabile con le esigenze di automazione della macchina stessa. Figura 1: Configurazione CompactRIO con Master Profibus DP. 14 italy.ni.com

19 Figura 2: Configurazione con CompactRIO Slave Profibus DP. Figura 3: Applicazione per cuscinetti a sfera. alimentatori di potenza, realizzando pattern temporali che sono generati nell ordine del nanosecondo. Una seconda applicazione riguarda la determinazione di parametri meccanici in cuscinetti a sfera. L applicazione è stata realizzata per un azienda leader mondiale nel settore. Qui il sistema acquisisce su due canali analogici (100khz/canale) altrettanti treni di impulsi (da encoder e fotocellula), realizzando un analisi on-line di entrambe le tracce che determina il valore del parametro richiesto in meno di un secondo. Il sistema dialoga con il processo di automazione tramite I/O diretto. In questo caso, è stata proprio l analisi estremamente più veloce rispetto ai sistemi esistenti sul mercato a rappresentare il vantaggio competitivo per il costruttore. Prodotti utilizzati: LabVIEW LabVIEW FPGA CompactRIO Nell ambito del condition monitoring è esplicativa un applicazione per un costruttore italiano di pompe di diverse taglie per differenti applicazioni (energia, dissalazione, oil&gas). In questo caso, pur non avendo l esigenza di interfacciamento con il processo di automazione, si è scelto di utilizzare una piattaforma CompactRIO per le sue specifiche (temperature di esercizio e caratteristiche vibrazionali) e per la possibilità di implementare algoritmi localmente. È stato sviluppato uno strumento che può fungere sia da sistema installato in maniera fissa (monitoraggio continuo di singola macchina) che da sistema portatile (monitoraggio periodico di più macchine). Per studiare le risposte e i comportamenti della macchina, è possibile acquisire sia segnali lenti (pressione, portata, termoresistenze) che segnali dinamici (vibrazioni, spostamento assiale, velocità). Le analisi effettuate su questi dati danno all operatore la possibilità di comprendere il comportamento della macchina sulla base delle differenti armoniche vibrazionali. Risultati L esperienza maturata da SITEM nell ambito dei sistemi di acquisizione dati a bordo macchina dimostra che l utilizzo di un sistema basato sulla piattaforma CompactRIO risulta efficiente, affidabile e agevolmente integrabile con le esigenze di automazione della macchina stessa. italy.ni.com 15

20 Advanced Manufacturing and Control The New Frontier of Silence: How to Develop the Washing Machine of the Future Marco Cugnetto WHIRLPOOL THE CHALLENGE Creating the most silent washing machine so customers can use it over convenient time bands for ecological and economical advantages. Among technologies for noise reduction, optimal unbalance management has been identified as one of the key solution to achieve this goal. Improving high-speed unbalance calculation and implementing a system to calculate unbalance mass, mass position, and bending moment the control board can decide when and how to modify the washing machine cycle. THE SOLUTION Developing a stand-alone smart system to manage washing machine cycles, get information from accelerometers, communicate with the washing machine control board, and automatically test smart algorithms by using a CompactRIOenhancing testing capabilities. For years, the Whirlpool Corporation has focused on customer satisfaction. The company s 6th Sense technology assures performance and reliability converting customer needs to useful and smart features. The company developed the 6th Sense smart control algorithms using rapid control prototyping systems based on the LabVIEW Real-Time Module and the LabVIEW Simulation Interface Toolkit. The wide use of these systems helped to test new concepts developed with different simulation tools, directly on a real washing machine. According to the development process, it is needed to validate engineered control algorithms firmware on the production control board. In addition, algorithm complexity is growing exponentially due to high quality and new challenging cost targets (energy label, washing performances, low noise, advanced features, and more). A washing machine mathematical model has been developed to evaluate low-speed unbalance. At higher speeds this algorithm is no longer valid because of not modelized mechanical behaviour. Currently, the structure is oversized with a certain cost increase and without the real unbalance in control. This may still cause noise. By adding sensors to the system noise has been reduced implementing a high-speed unbalance detection algorithm and a suitable cycle supervisor. and difficulties such as hardware cost versus effective benefits have been faced off. In the short time frame available, the team carried out a feasibility study, a physical phenoma study, model integration and optimization, and hardware and software pre-engineering activities. Due to the very tight algorithm requirements, a never attempted brand new solution has been developed: the CompactRIO system with an FPGA core that can acquire signals from sensors and supervise the cycle s steps by means of the washing machine control board. Team main challenge was using the standard control board firmware to quickly deliver the innovation to the customers. In particular, CompactRIO has been used to build a standalone prototype that integrates the standard washing machine with the new sensors. The team used LabVIEW software to design a system that can acquire signals from sensors, compute algorithm flow, make decisions for washing cycle, and communicate with the production control board. Furthermore, the provided solution can manage a predefined test plan automatically making use of the washing machine user interface. By means of the test plan, the user can perform what is requested allowing testing of the system by official test centers as a standard washing machine. The prototype A standalone prototype has been built integrating signals from sensors and performing automatic testing without human intervention. Over the ten months of development, critical points The team combined LabVIEW Real-Time, FPGA, and CompactRIO to design and develop a whole system that helps the company quickly deliver the innovation to production and increases quality targets and reduces cost. Figure italy.ni.com

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