Samsung Techwin używa NI LabVIEW i CompactRIO do opracowania systemu symulacji silnika w czasie rzeczywistym

Wyzwanie:
Opracowanie systemu symulatora silnika do testów kontrolerów silnika z turbiną gazową wyprodukowanych przez Samsung Techwin.

Zastosowane produkty:
CompactRIO, LabVIEW, LabVIEW FPGA, LabVIEW Real-Time


Rozwiązanie:

Stworzenie kompletnego środowiska symulacyjnego i testowego opartego na komputerze przy użyciu LabVIEW i CompactRIO firmy National Instruments zamiast ogromnego i niewygodnego systemu pozyskiwania danych.

Silnik z turbiną gazową to skomplikowane urządzenie wykorzystujące różne technologie, co sprawia, że ciężko ocenić jest jego ogólną wydajność. Często, problemy z pomiarem uniemożliwiają dokładną analizę rzeczywistego silnika. W rezultacie, projekt oraz weryfikacja sprzętu i algorytmu kontrolnego kontrolera silnika z turbiną gazową stanowią wyzwanie.

Opracowanie właściwego symulatora silnika było istotne, aby móc zweryfikować bezpieczne i niezawodne funkcjonowanie kontrolera silnika z turbiną gazową, nad którym pracowaliśmy. Aby wprowadzić bezpieczny i udoskonalony kontroler silnika, musieliśmy ulepszyć metodę weryfikacji kontrolera i jego algorytmu przed zintegrowaniem ich z rzeczywistym silnikiem.

Naszym celem była budowa symulatora silnika, aby móc zwiększyć przepustowość naszych kontrolerów silnika. Zamiast ogromnego i niewygodnego systemu pozyskiwania danych, dla całej symulacji i środowiska testującego, użyliśmy oprogramowania NI LabVIEW pracującego na komputerze wraz z przemysłową platformą sprzętową NI CompactRIO. Stworzony system symulowanego silnika obsługuje te same sygnały jak rzeczywisty silnik, co jest optymalnym rozwiązaniem do integracji oprogramowania i sprzętu komputerowego.

Przez matematyczne modelowanie silnika z turbiną gazową, mogliśmy obliczyć parametry osiągów silnika. Następnie przekształciliśmy te wyniki na rzeczywiste fizyczne sygnały, które wprowadzamy i wyprowadzamy z kontrolera silnika z turbiną gazową. Metodą prób i błędów, przetestowaliśmy sprzęt i algorytm kontrolera silnika, podnosząc niezawodność, redukując czas testowania, kalibracji i pomagając zapobiec nieprzewidzialnemu nieprawidłowemu funkcjonowaniu kontrolera.


Historia tworzenia

Aby opracować algorytm kontrolera, użyliśmy oprogramowania NI LabVIEW, LabVIEW Simulation Interface Toolkit 2.0 firmy National Instruments, oprogramowania MATLAB® i Simulink® firmy MathWorks, Inc. oraz Visual C++ jako narzędzi służących do tworzenia aplikacji. Cały proces projektowania zajął jednemu projektantowi dziewięć i pół miesiąca – dwa i pół miesiąca na projekt i uruchomienie sprzętu, trochę ponad trzy miesiące na programowanie w LabVIEW; trzy i pół miesiąca na testy oraz około 10 dni na pakowanie. Byliśmy w stanie rozwiązać blisko połowę ze 150 pozycji weryfikacji kontrolera silnika wykorzystując dane z symulowanego testu. (Dla porównania, przeprowadzenie weryfikacji przy korzystaniu tylko z testów rzeczywistego silnika zajęło ponad rok.)


Konfiguracja systemu

Konfiguracja systemu symulującego silnika z turbiną gazową obejmuje symulator silnika, kontroler silnika z turbiną gazową, algorytm sterujący i serwer symulatora. Symulator silnika zawiera model matematyczny wymagany do obliczeń charakterystyk dynamicznych silnika, wykonanie działania w czasie rzeczywistym, obliczanie stanu i generowanie parametru wyjściowego. Symulator przekształca parametry wyjściowe na fizyczny sygnał ciśnienia/temperatury/RPM przez niezależnie opracowany i wprowadzony konwerter sygnału. Uzyskaliśmy działanie w czasie rzeczywistym, WE/WY i komunikację z serwerem symulatora używając kości FPGA umieszczonej w 8-slotowej obudowie NI CompactRIO, co pozwoliło stworzyć konwerter sygnału.

Kontroler silnika to rzeczywisty sprzęt, który steruje silnikiem. Zamontowaliśmy procesor główny (CPU) o dużej przepustowości i podłączyliśmy go do symulatora wykorzystując okablowanie silnika. Algorytm jest najważniejszą częścią kontrolera silnika; musieliśmy go zaprogramować, aby spełnić dokładne specyfikacje aplikacji. W końcu, serwer symulatora to komputer sterujący działaniem symulatora silnika i przechowywaniem danych oraz interfejsem użytkownika.

Nasz symulator silnika łączy zarówno programowanie stworzone dla kości FPGA i systemu czasu rzeczywistego zawartego w CompactRIO. Zaprogramowaliśmy w LabVIEW FPGA moduły szybkiego wejścia/wyjścia. Następnie przenieśliśmy algorytm analizy do kontrolera systemu czasu rzeczywistego zawartego w CompactRIO.

Zaczęliśmy używając 8-slotową obudowę NI cRIO-9102 z układem zawierającym 1 milion bramek, ale zastąpiliśmy ją obudową cRIO 9104 z układem zawierającym 3 miliony bramek, ponieważ układ zawierający 1 milion bramek nie był wystarczający. Dodaliśmy również obwód bufora analogowego do modułu przetwornika, ponieważ prąd doprowadzany z zewnątrz do oryginalnego modułu wyjścia analogowego NI cRIO-9263 miał jedynie kilka mA.

Korzystając z programu serwera symulatora, użytkownik może wykonywać z poziomu interfejsu użytkownika takie zadania jak modyfikacja statusu silnika, modyfikacja ustawień symulacji, uruchomienie symulacji, pauza, zakończenie oraz ustawienie statusu silnika. Program monitorowania statusu silnika informuje użytkownika o statusie systemu, łącznie z wyświetlaniem zmiany silnika i przechowywaniem danych. Moduł monitorowania stanu silnika wymagał największego nakładu pracy.

Rozmiary i masa poprzedniego systemu opartego na PXI stwarzały pewne problemy z przenośnością. Ponieważ aplikacja oparta była na systemie operacyjnym Windows, działania nie wykonywały się w sposób deterministyczny. CompactRIO to bardzo atrakcyjna platforma dla inżynierów, którzy muszą pokonać ograniczenia i wprowadzić nowe koncepcje sterowania i monitorowania. System działający w czasie rzeczywistym wyposażony w system operacyjny czasu rzeczywistego umożliwia deterministyczne wykonywanie operacji, a LabVIEW pozwala nam przeprowadzić programowanie FPGA, redukując w dużej mierze koszty tworzenia aplikacji monitoringu.