Samsung Techwin użył NI LabVIEW i CompactRIO do opracowania systemu symulatora silnika do testów kontrolerów silnika z turbiną gazową.
Silnik z turbiną gazową to skomplikowane urządzenie wykorzystujące różne technologie, co sprawia, że trudno ocenić 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.
Samsung Techwin zaprzągł moc wirtualnych instrumentów, aby opracować kompletne środowisko symulacyjne oparte na komputerze
Opracowanie właściwego symulatora silnika było istotne, aby móc zweryfikować bezpieczne i niezawodne funkcjonowanie kontrolera silnika z turbiną gazową, nad którym Samsung pracował. Aby tego dokonać, należało ulepszyć metodę weryfikacji kontrolera i jego algorytmu przed zintegrowaniem ich z rzeczywistym silnikiem.
Celem Samsung Techwin była budowa symulatora silnika, aby móc zwiększyć przepustowość kontrolerów silnika. Zamiast ogromnego i niewygodnego systemu pozyskiwania danych dla całej symulacji i środowiska testującego użyto oprogramowania NI LabVIEW pracującego na komputerze wraz z przemysłową platformą sprzętową NI CompactRIO. Stworzony system obsługuje te same sygnały jak rzeczywisty silnik, co jest optymalnym rozwiązaniem do integracji oprogramowania i sprzętu komputerowego.
Przez matematyczne modelowanie silnika z turbiną gazową można było obliczyć parametry osiągów silnika. Następnie te wyniki przekształcano na rzeczywiste fizyczne sygnały, które wprowadzano i wyprowadzano z kontrolera silnika z turbiną gazową. Metodą prób i błędów przetestowano sprzęt i algorytm kontrolera silnika, podnosząc niezawodność, redukując czas testowania, kalibracji i pomagając zapobiec nieprzewidzialnemu nieprawidłowemu funkcjonowaniu kontrolera.
Historia tworzenia
Aby opracować algorytm kontrolera, użyto: 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 ? twierdzi Moon Sohk Chae z Samsung Techwin.
Konfiguracja systemu
Konfiguracja systemu symulującego silnik 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 fizycznysygnał 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. Zamontowano procesor główny (CPU) o dużej przepustowości i podłączyliśmy go do symulatora wykorzystując okablowanie silnika. Algorytm jest najważniejszą częścią kontrolera silnika; trzeba było go zaprogramować, aby spełnić dokładne specyfikacje aplikacji ? w końcu serwer symulatora to komputer sterujący działaniem symulatora silnika i przechowywaniem danych oraz interfejsem użytkownika.
? Symulator silnika łączy 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 ? mówi Moon Sohk Chae.
? 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 ? kontynuował.
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 statususilnika 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. W związku z tym, że 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 przeprowadzić programowanie FPGA, redukując w dużej mierze koszty tworzenia aplikacji monitoringu.