作者:
Dr. Guenter Randolf - GRandalytics

行業(yè):
能源/電力, AET/儀器

產(chǎn)品:
數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控模塊, CompactRIO, LabVIEW, FPGA模塊, 實(shí)時(shí)模塊

挑戰(zhàn):
設(shè)計(jì)全新的燃料電池測(cè)試系統(tǒng)，其速度必須高于常見(jiàn)的市售系統(tǒng)，擁有 24/7作業(yè)安全性，不需依賴(lài) Windows 操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，可獨(dú)立于多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間接收、傳送數(shù)據(jù)，可平行執(zhí)行多項(xiàng)仿真與指令碼，甚至可于不同機(jī)器中執(zhí)行作業(yè)。

解決方案:
以 NI CompactRIO 硬件架構(gòu)出的控制系統(tǒng)，要能透過(guò) NI LabVIEW Real-Time Module 控制整座測(cè)試工作站，可于 FPGA 層級(jí)驗(yàn)證量測(cè)并處理警示情況，透過(guò) UDP 進(jìn)行獨(dú)立通訊，以 GUI 溝通仿真器，可立刻運(yùn)用插入式模塊，并以功能強(qiáng)大的 GUI 輕松執(zhí)行作業(yè)。

由于環(huán)保意識(shí)高漲，多種應(yīng)用對(duì)燃料電池的需求亦與日遽增；包含從固定式系統(tǒng)、汽車(chē)應(yīng)用，乃至于行動(dòng)電話(huà)，均不離開(kāi)此范疇。從過(guò)去的歷史來(lái)看，工程師設(shè)計(jì)燃料電池的著眼點(diǎn)，為適用于長(zhǎng)期且穩(wěn)定的測(cè)試，且必須能夠進(jìn)行簡(jiǎn)易的效能評(píng)估。然而，交通運(yùn)輸應(yīng)用的燃料電池必須能夠快速進(jìn)行反應(yīng)，測(cè)試系統(tǒng)也因此必須可進(jìn)行周期仿真與瞬時(shí)分析。因此，新系統(tǒng)除了要能進(jìn)行簡(jiǎn)易量測(cè)之外，亦要能進(jìn)行高動(dòng)態(tài)測(cè)試、硬件回路 (HIL) 模擬、獨(dú)立式平臺(tái)的通訊作業(yè)，還要能進(jìn)一步擴(kuò)充。我們利用頂尖科技 (包含 FPGA 與 LabVIEW Real-Time Module)，于極短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)并建立安全且高穩(wěn)定的系統(tǒng)，并更達(dá)到極高的系統(tǒng)效能。

系統(tǒng)概述

一如常見(jiàn)的工作站，此系統(tǒng)主體為圖形化使用者接口 (GUI) 與仿真系統(tǒng)，并搭配不同的操作系統(tǒng)與軟件；而軟件可調(diào)整的平行多重?cái)?shù)據(jù) I/O 節(jié)點(diǎn)，則為我們系統(tǒng)所專(zhuān)有。我們必須以不同的工具 (如MathWorks, Inc. , Simulink® 軟件) 撰寫(xiě)多個(gè)軟件模型重的軟件模塊，且必須平行處理多組指令碼 (如圖 2 所示，我們使用 Simulink)。因此，使用者數(shù)據(jù)流協(xié)議 (User datagram protocol，UDP) 成為我們愛(ài)用的通訊方式。許多應(yīng)用即以 UDP 為中心架構(gòu)，且不需額外的硬件。多組已注冊(cè)的計(jì)算機(jī)可將設(shè)定點(diǎn)傳送至控制器，且所有數(shù)值均將保留，直到被其它傳送器覆寫(xiě)。在回傳的過(guò)程中，系統(tǒng)將從控制器傳送量測(cè)結(jié)果至已完成注冊(cè)的計(jì)算機(jī)。

CompactRIO – 自動(dòng)化的大腦

不同于傳統(tǒng)以計(jì)算機(jī)控制的測(cè)試工作站，此系統(tǒng)完全是由 CompactRIO 實(shí)時(shí)控制器所操作，可確保整體精確度；因此系統(tǒng)本身即擁有安全性與穩(wěn)定性。FPGA 為系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，代表安全性的第一道關(guān)卡。所有的量測(cè)數(shù)據(jù)將通過(guò) FPGA，并接受第一次的檢驗(yàn)作業(yè)。系統(tǒng)將于極短時(shí)間內(nèi)對(duì)警示做出反應(yīng)，避免對(duì)復(fù)雜的高階應(yīng)用造成影響。

透過(guò) DMA 與相關(guān)調(diào)整作業(yè)，系統(tǒng)即可將數(shù)據(jù)傳送至控制器，并以虛擬通道與UDP 所接收的設(shè)定點(diǎn)，進(jìn)而整合相關(guān)信息。并將 1 組動(dòng)態(tài)產(chǎn)生、開(kāi)放式來(lái)源碼的插入式 VI，作為功能性的核心 (Kernel)，以容納所有特殊測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)。工程師將此核心嵌入至一般外殼中，進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出、輸入、調(diào)整、警示、安全等功能。我們將檢查達(dá)到 3 級(jí)靜態(tài)與 2 級(jí)動(dòng)態(tài)的警示事件；并將后者與其它通道進(jìn)行交叉比對(duì)。系統(tǒng)接著將結(jié)果回傳至 FPGA，并透過(guò) UDP 傳送至外部節(jié)點(diǎn)。

傳送數(shù)據(jù)將占用大量的處理器資源；因此，我們藉由延遲控制 (Deadband control) 與傳輸管理作業(yè)，以最小化信道數(shù)量。延遲與傳輸作業(yè)的優(yōu)先性，僅為每個(gè)信道 40 組屬性之其中 2 組；另外還有 5 級(jí)警示、回轉(zhuǎn)率 (Slew rate)、與同步化 ID，均為信道屬性。系統(tǒng)于啟動(dòng)過(guò)程中，將從受保護(hù)檔案中匯入所有屬性，再透過(guò)第二組 UDP 通訊端口以迅速進(jìn)行變更。我們保留第三組 UDP 通訊端口進(jìn)行參數(shù)交換，如受限信息、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，或子系統(tǒng)的重新初始化作業(yè)。

由于我們的系統(tǒng)可平行處理大量回路，因此在設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)程序代碼時(shí)，將大量采用LabVIEW 數(shù)據(jù)流的程序設(shè)計(jì)技術(shù)與平行機(jī)制。因此，我們可依多種周期次數(shù)建立頻率回路的架構(gòu)，并以大型或精巧的程序代碼，達(dá)到異步化的事件觸發(fā)架構(gòu)。

XControl Power 的功能面

設(shè)計(jì)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，與使用多組測(cè)試工作站，均將影響 GUI 的開(kāi)發(fā)作業(yè)。因?yàn)榭刂破饕呀?jīng)負(fù)責(zé)安全性與核心功能，我們可將注意力集中于簡(jiǎn)單易用、直覺(jué)性，且可擴(kuò)充的終端操作。獨(dú)立回路可處理外圍作業(yè) (如傳輸數(shù)據(jù)，或?qū)⒅畠?chǔ)存于 Citadel 數(shù)據(jù)庫(kù))，構(gòu)成不需額外處理的作業(yè)架構(gòu)。具有 LabVIEW 使用經(jīng)驗(yàn)的客戶(hù)，將不需接觸后端的處理程序，即可存取來(lái)源程序代碼，進(jìn)而建置自己所需的功能。

新的 LabVIEW XControls 可讓我們將多項(xiàng)功能整合至控制器中。在交互式的管線(xiàn)儀表圖 (Piping and Instrumentation Diagram，P&ID) 中，單一 XControl 即可建構(gòu)所有的客制控制作業(yè)。控制作業(yè)將遵循 DIN 標(biāo)準(zhǔn)，且其外表將根據(jù)其實(shí)體屬性而有所變化。我們并可根據(jù)不同的實(shí)體單位，針對(duì)控制作業(yè)進(jìn)行同步化、擷取，與調(diào)整，當(dāng)然亦可顯示警告狀態(tài)。

管線(xiàn)顏色將根據(jù)傳輸媒體的不同而變化 (如黃色代表氫，黑色代表氮)，以立刻粗略了解相關(guān)狀態(tài)。透過(guò)「Run-time」菜單，我們可動(dòng)態(tài)呼叫插入式 VI，以新增特別功能，如計(jì)數(shù)器或定時(shí)器、指令碼產(chǎn)生 (Scripting)，或特殊量測(cè)。對(duì)菜單按下鼠標(biāo)右鍵，則將顯示控制屬性，并開(kāi)啟可設(shè)定卷標(biāo)屬性的工具。

CompactRIO 的尖端技術(shù)可簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程，以完成全新且實(shí)時(shí)的燃料電池測(cè)試工作站。我們?cè)O(shè)計(jì)出完整且高傳輸率的數(shù)據(jù)接口，可介接所有虛擬的計(jì)算機(jī)平臺(tái)與軟件。

針對(duì)現(xiàn)有最新的燃料電池測(cè)試器，我們將電子負(fù)載 (Electronic load) 的反應(yīng)時(shí)間從 800 ms 縮短為 50 ms；此實(shí)為動(dòng)態(tài)燃料電池測(cè)試技術(shù)的重大突破。而系統(tǒng)效能亦不容小覷，可達(dá)多重安全層級(jí)與輕松進(jìn)行兼容的軟件。由于所有安全相關(guān)的子系統(tǒng)均經(jīng)過(guò)加密且無(wú)法開(kāi)放，因此我們的系統(tǒng)可針對(duì) GUI，將開(kāi)放式原始碼或?qū)崟r(shí)插入式 VI 提供予使用者。在眾多競(jìng)爭(zhēng)者中，此功能更顯其高價(jià)值且專(zhuān)屬的特性。

雖然測(cè)試工作站可搭配 RS232 而提供 176 個(gè)模擬與數(shù)字 I/O 信道，并以序列外圍接口 (SPI) 溝通附加的儀器，我們?nèi)院?jiǎn)化整體架構(gòu)的設(shè)定作業(yè)。我們以可調(diào)整的硬件架構(gòu)為基礎(chǔ)，搭配FPGA、I/O 模塊，與彈性的軟件，達(dá)到此革命性的概念，并具有極高的擴(kuò)充與再使用價(jià)值性。此套設(shè)定，可簡(jiǎn)化整個(gè)測(cè)試工作站的開(kāi)發(fā)作業(yè)，亦可輕松更新現(xiàn)有系統(tǒng)，以獲得極高的經(jīng)濟(jì)效益。