Verbesserung eines Windkanals mit NI LabVIEW und NI CompactRIO

鍾恕 系統工程師, 星協系統科技

"Wir entschieden uns für die Software NI LabVIEW, eine auf dem Datenflussprinzip basierende Programmiersprache, weil nicht nur Multithreading ein fester Bestandteil der Software ist, sondern auch weil LabVIEW eine FPGA- und Echtzeitintegration bereitstellt, um unsere Systemanforderungen einfacher zu erfüllen."

- 鍾恕 系統工程師, 星協系統科技

Die Aufgabe:

Aktualisierung eines großen Windkanals mit langsamen Windgeschwindigkeiten, der eine unregelmäßige Steuerung aufwies und dessen Bedienung kompliziert war

Die Lösung:

Einsatz der Hardware NI CompactRIO und der Software LabVIEW für die Entwicklung eines kleineren, leistungsstärkeren Windkanals mit einem stabileren Steuerungssystem und einfacheren Bedienmöglichkeiten

Autor(en):

鍾恕 系統工程師 - 星協系統科技
吳志二 專案經理 - 星協系統科技
蔣步勤 系統工程師 - 星協系統科技
王崇駿 電路工程師 - 星協系統科技
呂芳仁 總經理 - 京祐科技
Eric Chung - WPC Systems Ltd.
Buqin Jiang - WPC Systems Ltd.
Chongjun Wang - WPC Systems Ltd.
Zhi’er Wu - WPC Systems Ltd.
Fangren Lv - Jing You Technology Co., Ltd.

 

Unlängst zog die Entwicklung von Modulen für die Wärmeableitung Aufmerksamkeit auf sich. Der Lüfter spielt in diesen Modulen eine bedeutende Rolle, aber dennoch gibt es bislang keine Standardkriterien für sein Design. Wenn Forscher die Lüfterleistung bestimmen wollen, können sie dazu die Testdaten nutzen, mit denen sie das Design analysieren und optimieren sowie den Entwicklungsaufwand und die Kosten erheblich reduzieren können. Mithilfe von Windkanaltests berechnen Forscher die Ausgangsleistung des Lüfters anhand von Druck-Durchfluss-Kennlinien (P-Q) und Systemwiderstandskennlinien (SRCs). Der Schnittpunkt der zwei Kennlinien stellt den optimalen Arbeitspunkt passend zum Systemwiderstand dar. Aus diesem Grund sollten Lüfter und Lüftungsschlitze in Windkanälen getestet werden, so dass festgestellt werden kann, wie ihr Design zu verbessern ist.

 

 

Bestandteile des Windkanals

Ein Windkanal ist am besten geeignet, um P-Q- und SRC-Kennlinien zu messen. Das System besteht aus folgenden Teilsystemen:

  1. Gehäuse des Windkanals: für die Strömungsstabilisierung und Umgebungssteuerung
    1. Messsystem: stellt Messungen von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Atmosphärendruck sowie Temperatur und Druck der Kammer bereit
      1. Umschaltsystem für die Sprühdüsen: trägt zur Vermeidung geringer Geschwindigkeit durch Auswahl der entsprechenden Düse bei
      2. System zur Durchflusssteuerung: stellt sicher, dass sich Druck und Luftstrom des Systems in einem stabilen Zustand befinden
      3. System zur Parameterberechnung und -verarbeitung für die Strömungsmechanik: die P-Q- und Systemwiderstandskennlinien werden aufgrund von Umgebungsparametern bestimmt, die gemessen werden, wenn die strömungsmechanischen Parameter berechnet werden
      4. Mensch-Maschine-Schnittstelle

Modernisierung eines Windkanals

Das Unternehmen Jing You Technology Co., Ltd., vormals Yu Jia Technology Co., Ltd., ist ein professioneller Lieferant von Windkanälen in China und hat sich jahrelang der Entwicklung von Windkanälen, Modulen für die Wärmeableitung und entsprechenden Tests der Strömungsmechanik gewidmet. Zwar verfügt das Unternehmen über umfangreiche Erfahrungen und Kenntnisse zu aktuellen Technologien im Bereich Windkanäle, bot seinen Kunden jedoch bis vor Kurzem sein ursprüngliches Testsystem an, das auf Industrie-PCs (IPCs), speicherprogrammierbare Steuerungen (SPSen) und individuell angepasste Schaltungen basiert. Diese Plattform hat etliche Nachteile, wie unregelmäßige Steuerung, niedrige Geschwindigkeit, komplizierte Bedienung und umfangreiche Größe. Jing You Technology bat den National Instruments Alliance Partner WPC Systems Ltd. um Unterstützung bei der Aktualisierung seiner bisherigen IPC-Plattform auf eine PAC-Plattform (Programmable Automation Controller) von NI unter Einsatz von NI CompactRIO.

 

Anwendungslösung

Das Anwendungssystem besteht aus Hard- und Software. Der Aufbau des bisherigen IPC-Systems von Jing You Technology ist in der nachfolgenden Abbildung (Abb. 2) dargestellt.

 

 

Hardware

Die Genauigkeit des Steuerungssystems war für Industrietests ausreichend, allerdings wurde es erforderlich, Stabilität und Geschwindigkeit zu verbessern. So blockierte das System beispielsweise, wenn die Systeme für die Durchflussregelung und das Umschalten der Sprühdüsen zusammenzuarbeiten versuchten. Nach einer Analyse konnten wir zwei Hauptursachen dafür feststellen: zum einen Probleme in der Übereinstimmung des Dynamikbereichs und zum anderen eine Zeitverzögerung, die auftrat, wenn die physikalischen Parameter gemessen wurden.

 

Da der Industrie-PC, der als Hauptrechner des Systems fungierte und die gesamten Mess-, Steuer- und Regelprozesse durchführte, sowie das restliche System nicht in Echtzeit liefen, trat unweigerlich eine Zeitverzögerung sowohl bei den Mess- als auch bei den Steuer- und Regelprozessen auf. Zudem wurde der Druckunterschied, der wichtigste Parameter bei Windkanalmessungen, vom realen Strömungssystem gemessen und war nicht immer in einem stabilen Zustand. Die Folge war, dass durch Überlagerung von modalen Strömungen einige systematisch bedingte Druck- und Dichtewellen entstanden. Damit die Datengenauigkeit sichergestellt und Aliasing vermieden wird, mussten wir die Messgeschwindigkeit erhöhen und viele Parallelversuche durchführen, so dass die zufällig durch das System gewonnenen Daten reduziert werden konnten.

 

Wir entschieden uns beim neuen System für das Analogeingangsmodul der C-Serie NI 9201, das eine Messgeschwindigkeit von 500 kS/s bietet, und die FPGA-Plattform NI CompactRIO. Mit dieser Hardware können wir Lösungen für Hochgeschwindigkeitssignalmessungen umsetzen, um sicherzustellen, dass die gemessenen Druckwerte den Systemzustand in Echtzeit wiedergeben und die gemessenen Systemdaten auf durchschnittlichem Niveau bleiben. Da das NI 9201 über acht unabhängige Kanäle verfügt, sind für die Druck- und Temperaturmessungen keine zusätzlichen Module erforderlich.

 

Neben den Messungen ist die Durchflusssteuerung der wichtigste Bestandteil des Systems. Im alten System wurden Analogspannungseingänge genutzt, um den Wechselrichter zu steuern, der wiederum die Abluft des Gebläses steuert. Zur Verbesserung der Genauigkeit setzten wir das Analogausgangsmodul der C-Serie NI 9263 ein, das einen Spannungsausgang mit 16 bit Auflösung und 100 kS/s bietet. Mit den Digital-I/O-Modulen der C-Serie NI 9411 und NI 9477 steuerten wir alle Schaltmodule und digitalen Detektoren.

 

 

Software

Auch die Software spielt eine wichtige Rolle im System und führt folgende Funktionen aus:

  1. Genaue Messwert- und Signalverarbeitung
  2. Stabile Echtzeitsteuerung des Umschaltens von Gebläse und Sprühdüse
  3. Schnelle Umsetzung stabiler Steuerung
  4. Einfacher Betrieb

Wir benötigten eine Software, die die Steuerung an unterschiedlichen Stellen des Systems synchronisieren sowie kontinuierliche Hochgeschwindigkeitsmessungen und Signalverarbeitung durchführen kann. Das Durchflusssteuerungssystem musste eine durchgängige Regelung des Gebläses ermöglichen, um einen gleichmäßigen Druck und eine konstante Systemtemperatur beizubehalten. Für das Gebläse wird eine Regelung eingesetzt, wenn bei einer festen Umdrehungsgeschwindigkeit gemessen wird. Die Sicherheitsvorrichtungen sollten außer Kontrolle geratene Situationen in Echtzeit erkennen. Zudem sollte die Software Multithreading anbieten, damit die Subsysteme unabhängig sind und miteinander kommunizieren können, so dass ein synchroner Betrieb möglich ist. Wir entschieden uns für die Software NI LabVIEW, eine auf dem Datenflussprinzip basierende Programmiersprache, weil nicht nur Multithreading ein fester Bestandteil der Software ist, sondern auch weil LabVIEW eine FPGA- und Echtzeitintegration zur einfachen Erfüllung unserer Systemanforderungen bereitstellt. Außerdem werden FPGA- und Echtzeit-Controller in das CompactRIO-System integriert.

 

 

Neue Architektur für den Windkanal

Um die Anforderungen an Softwarefunktionen zu erfüllen, entwickelten wir die Systemarchitektur auf Basis von LabVIEW und den Modulen LabVIEW FPGA und LabVIEW Real-Time, die auf einem PC ausgeführt werden (siehe Abbildung 5). Aufgrund der engen Integration zwischen dem FPGA des CompactRIO-Moduls und den anderen von uns gewählten Modulen kann die digitale Signalverarbeitung direkt mit LabVIEW FPGA implementiert werden, um stabile Druck- und Strömungswerte zu erhalten.

 

LabVIEW Real-Time wurde auch gewählt, um eine zuverlässige Echtzeitsteuerung sicherzustellen. Vom CompactRIO-Echtzeit-Controller aus sendet jeder gemessene Druckwert eine Antwort an das System. Der Druck kann anschließend innerhalb eines bestimmten Bereichs vom Gebläse präzise gesteuert werden. Ist eine solche Echtzeitsteuerung vorhanden, treten keine Verzögerungen auf und die Hauptfaktoren, die bislang für unstabile Zustände sorgen, werden so vermieden.

 

Die Systemsteuerung ist zwar einfach, jedoch hängt der Zeitpunkt für das Umschalten der Sprühdüsen immer noch von einer präzisen Entscheidung ab. Werden die Mechanismen für die Entscheidungsfindung nicht korrekt entworfen, kann das u. a. diese Folgen haben:

  1. Eine Zeitüberschreitung des Systems ohne Vorwarnung
  2. Unvorhersagbare Messzeiten
  3. Sprühdüsen werden mehrfach umgeschaltet
  4. Unstimmige Messdaten
  5. Verlängerte Testgeschwindigkeiten

 

 

Düsen mit unterschiedlichen Größen entsprechen verschiedenen Dynamikbereichen der Messung. Daher wird die Messgenauigkeit stark von der Düsenumschaltung beeinflusst. Die folgenden Faktoren sind beim Umschalten der Düsen zu berücksichtigen:

  •  
  • Befindet sich der statische oder dynamische Druck des Systems innerhalb der Druckbereichsgrenze des Systems?
  • Überschreitet die Leistung des Gebläses den Grenzbereich?
  • Liegt die Strömungsgeschwindigkeit des Systems unterhalb der Messgrenze?

Bei einem geeigneten Entscheidungsfindungsprozess sind die Umschaltung der Düse und die Entscheidungsfindung mit dem Thread der Durchflusssteuerung verknüpft. Der Echtzeit-Controller wird zur Entscheidungsfindung in Echtzeit eingesetzt, darum ist das Problem der Düsenumschaltung schnell gelöst.

 

Dank des Remote-Zugriffs des CompactRIO-Systems lässt sich ein Minirechner (ähnlich einem Notebook) einfach an den aktualisierten Windkanal-Controller anschließen, um die Messungen durchzuführen. Der große IPC ist nicht mehr nötig. Der aktualisierte Windkanal hat dank NI CompactRIO und LabVIEW leistungsstärkere Funktionen, eine geringere Größe sowie einen stabileren Betrieb und eine komfortablere Bedienung.

 

Fazit

Durch die erfolgreiche Umstellung der Windkanalplattform von einem IPC auf einen CompactRIO-Controller vereinfachten wir bei Jing You Technology und WPC Systems die Verkabelung des gesamten Systems und verringerten die Gesamtsystemgröße um etwa 33 Prozent. Wir verwendeten nur einen CompactRIO-Controller, um diese Komponenten zu ersetzen: IPC, SPS, benutzerspezifischer Controller, PWM-Controller, Tachometer und Amperemeter. Zusätzlich reduzierten wir die Kosten um 25 Prozent und erhöhten die Testgeschwindigkeit um etwa 50 Prozent. Wir senkten die Kosten der Entwicklungszeit mithilfe der Software LabVIEW und vereinfachten den Betrieb dank der grafischen Benutzeroberfläche in LabVIEW. Des Weiteren setzten wir das leistungsstarke LabVIEW Report Generation Toolkit für Microsoft Office, das Mess-, Analyse- und Berichterstellungsfunktionen vereint, bei den Modulen für die Wärmeableitung ein. Der Anwender benötigt lediglich Kabel und Notebooks, um sofort einen Windkanaltest durchzuführen und Ergebnisberichte zu erzeugen.

 

Informationen zum Autor:

鍾恕 系統工程師
星協系統科技
chung@wpc.com.tw

Abb. 1: Beispiel einer P-Q-Kennlinie des Lüftertests
Abb. 2: Aufbau des bisherigen Windkanals von Jing You Technology
Abb. 3: Der bisherige Windkanal von Jing You Technology
Abb. 4: Neuer Windkanal auf Basis der PAC-Plattform von NI
Abb. 5: Beispiel einer Druckmessung, die über das FPGA-Programm erfolgte
Abb. 6: Der umfassend überarbeitete Windkanal