Upgrade eines Windkanal-Testsystems mit NI LabVIEW und CompactRIO

鍾恕 系統工程師, 星協系統科技

„Wir haben uns für die Software NI LabVIEW entschieden, eine auf Datenfluss basierende Programmiersprache, nicht nur, weil Multithreading eine systemeigene Funktion der Software ist, sondern auch, weil LabVIEW über FPGA und Echtzeit-Integration verfügt, um die Systemanforderungen einfach zu erfüllen.“

– 鍾恕 系統工程師, 星協系統科技

Die Aufgabe:

Aktualisierung eines großen Windkanal-Testsystems mit niedriger Geschwindigkeit, das eine unruhige Steuerung aufwies und kompliziert zu bedienen war.

Die Lösung:

Verwendung von NI-CompactRIO-Hardware und LabVIEW-Software zur Entwicklung eines kleineren, leistungsfähigeren Windkanal-Testsystems mit einem stabileren Steuerungssystem und einfacherer Bedienung.

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.

 

In letzter Zeit stand das Design von Wärmeableitungsmodulen im Rampenlicht. Obwohl der Lüfter in diesen Modulen eine unverzichtbare Rolle spielt, gibt es noch keine einheitlichen Kriterien für seine Auslegung. Wenn Forscher die Lüfterleistung quantifizieren, können sie die Testdaten verwenden, um das Design zu analysieren und zu optimieren und Entwicklungszeit und -kosten erheblich zu reduzieren. Bei Windkanaltests berechnen die Forscher die Lüfterausgangsleistung anhand von Druck-Mengen-Kurven (PQ) und Systemwiderstandskurven (SRCs). Der Verbindungspunkt zweier Kurven ist der optimale Arbeitspunkt passend zum Systemwiderstand. Aus diesem Grund sollten Lüfter und Wärmeabzüge Windkanaltests unterzogen werden, um festzustellen, wie das Lüfterblattdesign und die Konfiguration der Wärmeabzüge verbessert werden können.

 

 

Komponenten des Windkanal-Testsystems

Ein Windkanal-Testsystem ist das beste Gerät, um PQ-Kurven und SRCs zu messen. Das System besteht aus folgenden Subsystemen:

 

  1. Windkanalgehäuse – führt Strömungsstabilisierung und Umgebungskontrolle durch
    1. Messsystem – liefert Temperatur-, Feuchtigkeits- und Luftdruckmessungen sowie Kammertemperatur und -druck
      1. Sprühdüsen-Umschaltsystem – hilft, niedrige Geschwindigkeiten zu vermeiden, indem die geeignete Düse ausgewählt wird
      2. Durchflusskontrollsystem – stellt sicher, dass der Druck und der Luftstrom des Systems in einem stabilen Zustand sind
      3. Berechnungs- und Verarbeitungssystem für strömungsmechanische Parameter – die PQ-Kurven und SRCs werden aufgrund von Umgebungsparametern bestimmt, die bei der Berechnung der strömungsmechanischen Parameter gemessen werden
      4. Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI)

 

Modernisieren eines Windkanal-Testsystems

Die Jing You Technology Co., Ltd., früher Yu Jia Technology Co., Ltd., ist ein professioneller Anbieter von Windkanal-Testsystemen in China und hat jahrelange Forschung der Entwicklung von Windkanal-Testsystemen, Wärmeableitungsmodulen und relevanten strömungsmechanischen Tests gewidmet. Obwohl das Unternehmen über umfangreiche Erfahrungen und Kenntnisse der neuesten Technologien in Windkanal-Testfeldern verfügt, bot Jing You Technology seinen Kunden bis vor kurzem noch sein ursprüngliches Testsystem an, das auf industriellen Personal Computern (IPCs), speicherprogrammierbaren Steuerungen (PLCs) und kundenspezifische Schaltungen beruhte. Zu den vielen Nachteilen dieser Plattform gehören unruhige Steuerung, niedrige Geschwindigkeit, komplizierte Bedienung und eine enorme Größe. Jing You Technology bat den NI-Partner WPC Systems Ltd., beim Upgrade seiner früheren IPC-Plattform auf eine PAC-Plattform (Programmable Automation Controller) von NI mit CompactRIO zu helfen.

 

Anwendungslösung

Das Anwendungssystem besteht aus Hard- und Software. Das Framework des früheren IPC-Systems von Jing You Technology ist in Abbildung 2 dargestellt.

 

Hardware

Die Genauigkeit des Steuerungssystems war gut genug für industrielle Tests, aber wir mussten die Stabilität und Geschwindigkeit der Steuerung verbessern. Zum Beispiel blockierte das System, als die Durchflusssteuerung und das Sprühdüsen-Umschaltsystem versuchten, zusammenzuarbeiten. Nach der Analyse stellten wir fest, dass die beiden Hauptgründe dafür ein Dynamikbereichsanpassungsproblem und ein Zeitverzögerungsproblem waren, das bei der Messung der physikalischen Parameter auftrat.

 

Da der IPC, der als Hauptmaschine der Anlage fungierte und alle Mess- und Regelvorgänge durchführte, und die übrige Anlage nicht in Echtzeit liefen, kam es zwangsläufig zu einer zeitlichen Verzögerung sowohl bei den Mess- als auch bei den Regelvorgängen. Darüber hinaus wurde die Druckdifferenz, der wichtigste Parameter, den das Windkanalsystem verfolgt, vom realen Strömungssystem gemessen und war nicht immer in einem stationären Zustand. Dadurch wurden einige systematische Parameter wie Druck und Dichte der Strömung durch Überlagerung vieler Modalwellen gebildet. Um die Datengenauigkeit zu gewährleisten und Aliasing zu vermeiden, wussten wir, dass wir die Messgeschwindigkeit erhöhen und viele Parallelgruppenversuche durchführen mussten, um die vom System erhaltenen Zufallsdaten zu reduzieren.

 

Wir haben uns für das neue System für das analoge Eingangsmodul NI 9201 der C-Serie mit einer Messgeschwindigkeit von 500 kS/s und die FPGA-Plattform (Field Programmable Gate Array) von NI CompactRIO entschieden. Mit dieser Hardware können wir Hochgeschwindigkeitssignallösungen erreichen, um sicherzustellen, dass die gemessenen Druckwerte den Systemzustand in Echtzeit widerspiegeln und die gemessenen Systemdaten auf einem durchschnittlichen Niveau bleiben. Da das NI 9201 über acht unabhängige Kanäle verfügt, benötigen wir keine zusätzlichen Module, um Druck und Temperatur zu messen.

 

Neben der Messung ist die Durchflussregelung der wichtigste Teil des Systems. Im früheren System wurden Spannungsbefehle verwendet, um den Wechselrichter zu steuern, der wiederum den Luftgebläseauslass steuerte. Um die Flusssteuerung genauer zu machen, haben wir uns für das analoge Ausgangsmodul NI 9263 der C-Serie mit 16-Bit-Auflösung und 100 kS/s Spannungssteuerung entschieden. Außerdem verwendeten wir die digitalen I/O-Module NI 9411 und NI 9477 der C-Serie, um alle Schalter und digitalen Detektoren zu steuern.

 

 

 

Software

Die Software spielt auch eine wichtige Rolle im System und führt die folgenden Funktionen aus:

  1.  Präzise Messung und Signalverarbeitung
  2.  Stabile Echtzeitsteuerung des Luftauslasses und der Sprühdüsenumschaltung
  3.  Schnelles Erreichen einer stabilen Kontrolle
  4.  Einfache Bedienung

 

Wir benötigten eine Software, die die Steuerung in verschiedenen Teilen des Systems synchronisieren und kontinuierliche Hochgeschwindigkeitsmessungen und Signalverarbeitung durchführen konnte. Das Durchflussregelsystem musste das Luftgebläse ununterbrochen im geschlossenen Regelkreis regeln, um Druck und Systemtemperatur konstant zu halten. Beim Messen mit fester Drehzahl wird der Lüfter geregelt. Die Sicherheitseinrichtungen mussten falsch laufende Situationen in Echtzeit erkennen. Wir brauchten auch Software, die Multithreading bietet, damit jedes Subsystem unabhängig ist und miteinander kommunizieren kann, um synchron zu arbeiten. Wir haben uns für die Software NI LabVIEW entschieden, eine auf Datenfluss basierende Programmiersprache, nicht nur, weil Multithreading eine systemeigene Funktion der Software ist, sondern auch, weil LabVIEW über FPGA und Echtzeit-Integration verfügt, um die Systemanforderungen einfach zu erfüllen. Darüber hinaus sind FPGA und Echtzeit-Controller in das CompactRIO-System integriert.

 

 

 

 

Neues Windkanal-Testsystem-Framework

Um die Anforderungen an Softwarefunktionen zu erfüllen, haben wir das System-Framework basierend auf LabVIEW und den Modulen LabVIEW FPGA und LabVIEW Real-Time entwickelt, die auf einem PC ausgeführt werden, wie in Abbildung 5 dargestellt. Dank der nahtlosen Integration zwischen dem FPGA auf dem CompactRIO-Modul und den anderen von uns ausgewählten Modulen kann die digitale Hochgeschwindigkeitssignalverarbeitung direkt mit LabVIEW FPGA implementiert werden, um konstante Druck- und Durchflusswerte zu erhalten.

 

Wir haben uns auch für LabVIEW Real-Time entschieden, um eine stabile Echtzeitsteuerung zu gewährleisten. Vom CompactRIO-Echtzeitcontroller sendet jeder gemessene Druckwert eine Antwort an das System. Der Druck kann dann durch das Luftgebläse innerhalb eines bestimmten Bereichs genau geregelt werden. Mit einer solchen Echtzeitsteuerung tritt keine Verzögerung auf und die Hauptfaktoren, die die Unstetigkeit des früheren Systems verursacht haben, werden vermieden.

 

Obwohl die Steuerung des Systems einfach ist, hängt der Punkt, an dem die Sprühdüsen umgeschaltet werden, immer noch von einer genauen Systementscheidung ab. Wenn der Systementscheidungsmechanismus nicht richtig gestaltet ist, können die folgenden Ergebnisse auftreten:

 

  1. Ein System-Timeout ohne Vorwarnung
  2. Unvorhersehbare Messzeit
  3. Mehrfaches Umschalten von Spritzdüsen
  4. Inkonsistente Messdaten
  5. Längere Testgeschwindigkeiten

 

Düsen mit unterschiedlichen Größen entsprechen unterschiedlichen dynamischen Messbereichen; daher wird die Messgenauigkeit stark durch das Wechseln der Düsen beeinflusst. Beim Düsenwechsel sind folgende Faktoren zu beachten:

  • Ob der statische oder dynamische Druck des Systems innerhalb des Grenzdruckbereichs des Systems liegt
  • Ob die Leistung des Luftgebläses den Grenzbereich überschreitet
  • Ob die Strömungsgeschwindigkeit des Systems unterhalb der Messgrenze liegt

 

 

In einem geeigneten Entscheidungsprozess werden die Düsenumschaltung und Entscheidungsfindung mit dem Einfädeln der Durchflussregelung kombiniert. Die Echtzeitsteuerung wird verwendet, um Entscheidungen in Echtzeit zu treffen, sodass das Problem des Düsenwechsels schnell gelöst wird.

 

Mit der in das CompactRIO-System integrierten Remote-Online-Funktionalität kann der Minicomputer (der einem Notebook ähnelt) einfach eine Verbindung zum aktualisierten Windkanal-Controller herstellen, um die Messungen durchzuführen. Der große IPC wird nicht mehr benötigt. Das aktualisierte Windkanal-Testsystem mit CompactRIO und LabVIEW verfügt über leistungsfähigere Funktionen, eine kleinere Größe und eine stabilere Steuerung und bequemere Bedienung.

 

Fazit

Durch den erfolgreichen Wechsel der Windkanal-Testsystemplattform von einem IPC zu einem CompactRIO-Controller haben wir bei Jing You Technology und WPC Systems die Verkabelung des gesamten Systems vereinfacht und die Gesamtsystemgröße um etwa 33 Prozent verringert. Wir haben nur einen CompactRIO-Controller verwendet, um den IPC, die SPS, den kundenspezifischen Controller, den PWN-Controller, den Tachometer und das Amperemeter zu ersetzen. Darüber hinaus haben wir die Kosten um 25 Prozent gesenkt und die Testgeschwindigkeit um etwa 50 Prozent erhöht. Wir haben die Entwicklungszeitkosten mit der LabVIEW-Software gesenkt und die Bedienung mit der grafischen Benutzeroberfläche von LabVIEW vereinfacht. Darüber hinaus haben wir für die Wärmeableitungsmodule das leistungsstarke LabVIEW Report Generation Toolkit für Microsoft Office verwendet, das Mess-, Analyse- und Berichtsfunktionen kombiniert. Der Benutzer benötigt nur Kabel und Notebooks, um den Lüftertest sofort durchzuführen und Testergebnisberichte zu erstellen.

 

Informationen zum Autor:

鍾恕 系統工程師
星協系統科技
chung@wpc.com.tw

Abbildung 1: Eine beispielhafte PQ-Kurve im Lüftertest
Abbildung 2: Das Framework des ehemaligen Windkanal-Testsystems von Jing You Technology
Abbildung 3: Das vollständige frühere Windkanal-Testsystem von Jing You Technology
Abbildung 4: Das Framework des neuen Windkanal-Testsystems basierend auf der PAC-Plattform von NI
Abbildung 5: Eine Beispieldruckmessung, die mit dem FPGA-Programm durchgeführt wurde
Abbildung 6: Das vollständig aktualisierte Windkanal-Testsystem