Feladatunk volt a szuperkritikus állapotú gőz vizsgálatát lehetővé tevő tesztberendezés vezérlőrendszerének kifejlesztése. A rendszer működése valós idejű, sok analóg és digitális I/O-csatorna kezelése mellett PID-szabályozókat is meg kellett valósítani. Megoldásként az NI CompactRIO platformon, NI LabVIEW és DIAdem szoftverkörnyezetben létrehoztunk egy robusztus, megbízható elosztott rendszert

"Az NI Scan Engine segítségével csökkentettük az FPGA-kódok elkészítéséhez és fordításához szükséges időt, emellett a DIAdem szoftver használatának köszönhetően a riport-generátor fejlesztésére fordított időt is jelentősen le tudtuk rövidíteni."
A tesztberendezést a gőz szuperkritikus tartománybeli - ahol a víz elpárolog - termodinamikai viselkedésének tanulmányozására létesítettük. Amikor üzletfelünk - egy vezető gőzturbinagyártó - megkeresett bennünket, hogy egy ilyen tesztberendezés automatizálását valósítsuk meg, és megismertük a követelményeket, akkor a CompactRIO platformot, LabVIEW Datalogging and Supervisory Control (DSC) Module-t és DIAdem data management software-t választottuk a feladat megoldásához.
Megrendelőnk olyan rendszert kért, amelyben

• több mint 400 érzékelő jelét kell mérni, több mint 100 digitális visszacsatolási pontot kezelni, ezeket a jeleket monitorozni, naplózni;
• több mint 100 folyamatjellemzőhöz tartozó riasztási szintet kell figyelni és a hozzárendelt akciókat/beavat­kozá­sokat végrehajtani;
• a naplózást és az archiválást redundáns módon, több hónapos időtartamra kell megvalósítani;
• 22 elosztott PID-szabályozó hurkot kell megvalósítani;
• lehetőséget kell teremteni a tesztek távoli megfigyelésére és vezérlésére;
• biztonsági reteszeléseket kell megvalósítani a szoftverben;
• valós időben kell elvégezni a folyamat-paraméterek számítását és végrehajtani a szükséges beavatkozásokat;
• el kell végezni az adatok komplex elemzését;
• lehetővé kell tenni, hogy a rendszert később, a szoftver módosítása nélkül újabb számítási feladatokkal lehessen bővíteni és
• mindezek mellett a tesztkörnyezetben fennálló magas hőmérsékletet és páratartalmat is el kell viselnie.

A fentieket teljesítve a rendszernek tudni kell elosztott mérőhálózatot kezelni, problémamentesen együttműködni az adattároló szerverekkel és elosztott vezérlőkkel, támogatni a valós idejű operációs rendszereket és a vegyes I/O-csatornákat. Mindezt robusztus hardverplatformon, nagy teljesítménnyel és olyan szoftverkörnyezetben, amely elősegíti a rendszer gyors felépítését.
A szuperkritikus gőzparamétereket vizsgáló tesztberendezés a következő alrendszerekből épül fel:

• tesztszakasz - elpárologtató és két előmelegítő;
• tápvízkör - dugattyús szivattyú, keringetőszivattyú, tároló, nyomásszabályozó, tápvíztartály;
• regeneratív hőcserélő és -keverő;
• hűtővízkör - hűtőtornyok, hűtőventilátorok, környezeti-hőcserélő;
• levegőrendszer - légkompresszor

A keringető szivattyú biztosítja a lágyvíz áramlását a rendszerben, a regeneratív hőcserélőben, ahol a tesztszakasz bemenetére jutó víz kissé felmelegszik. A regeneratív hőcserélőből a víz a két előmelegítőbe kerül, ahol egy PID-szabályozó segítségével tartjuk fenn a teszt-szakasz bemenetén megkövetelt víz-hőmérsékletet, 550 °C-ot.

A rendszer megvalósítása

A rendszerünk 4 field control (FCU) egységből áll. Mindegyikük egy vagy több CompactRIO-egységet tartalmaz. Egy szerver- és egy terminálkliens csatlakozik minden FCU-hoz. A kliensek gyűjtik, megjelenítik, és Citadel-adatbázisban tárolják az adatokat. Minden Com­pact­RIO-egységhez létrehoztunk megosztott, valós idejű változókat, amelyeket összerendeltünk a terminálkliens PC megosztott változóival, a megbízható, valós idejű kommunikáció érdekében.
Minden CopactRIO-n egy vagy több feladat fut, úgymint: adatgyűjtés, mérnöki egységre való konvertálás, PID-szabályozók, analóg és digitális kimenetek generálása, biztonsági reteszelések, megosztott változók frissítése. A rendszer, a négy FCU mentén elkülönítve, számos alrendszerből áll.

Biztonsági bejelentkezés
A LabVIEW DSC Module segítségével egy nagyon biztonságos felhasználóazonosító rendszert alakítottunk ki, annak érdekében, hogy megakadályozzuk illetéktelenek hozzáférését a szerverhez és a kliensekhez. A hozzáférési rendszer háromszintű: adminisztrátori (admin) magas szintű hozzáférési jogosultságokkal; felügyeleti (supervisor) közepes hozzáférési jogosultságokkal és az operátori, alacsony szintű hozzáférési jogokkal. A jogosultságok függvényében a frontpanel engedélyezi/tiltja, illetve teszi láthatóvá/láthatatlanná a program vezérlőfunkcióit, így automatikusan kizárja a nem jogosult felhasználók hozzáférését a rendszer számukra nem engedélyezett elemeihez.

Távoli vezérlés, adatgyűjtés és a Citadel-adatbázis
A LabVIEW DSC Module azt is lehetővé tette számunkra, hogy a teljes üzem és alrendszerei technológiai sémáját képernyőre tegyük. Ezen a mimic-panelen egyszerűen lehet az alrendszerek között navigálni és távműködtetni a berendezéseket. Ezenkívül, az NI Scan Engine előnyeit kihasználva, könnyen és gyorsan tudtuk a CompactRIO vezérlőkön futó alkalmazásokat fejleszteni, csökkent a fejlesztés költsége, illetve az FPGA-kódok elkészítéséhez és fordításához szükséges idő. Az eszköz különféle érzékelők, mint például hőelemek, nyomás-, szint-, áramlás-, feszültség- és áramtávadók jeleit, valamint digitális jeleket gyűjt, analóg és digitális kimeneti jeleivel pedig különböző eszközöket vezérel. Adat-, riasztás- és eseménynaplózást is megvalósítottunk, amihez a LabVIEW DSC Module Citadel adatbázisát használtuk, mellyel könnyen meg tudjuk tekinteni a korábban tárolt adatokat.

PID-szabályozások
Az eszközök szabályozását a LabVIEW PID Control Toolkit segítségével valósítottuk meg, amely több mint 10 PID-szabályozási hurkot tud kezelni egy CompactRIO vezérlőn. A PID-paramétereket a megfelelő rendszert kiválasztva, beállítva az AUTO/KÉZI PID hurokopciót, majd a PID automatikushangolás-varázslót elindítva a sematikus rendszerrajzon tudjuk változtatni.

Indítási/leállítási folyamatok és a tesztek indítása/leállítása
A berendezés indítási/leállítási folyamatait vezérlő programot a LabVIEW Statechart Module segítségével készítettük el. Minden lépés végrehajtása követhető a státusmezőben, és KÉZI módban a rendszer megvárja, amíg a kezelő megnyomja a végrehajtásgombot. Az indítási folyamat befejeződése után pedig lehetősége nyílik egy új teszt elindítására.
Ha a kezelő megnyomja a "start test" gombot, akkor első lépésben meg kell adnia a teszt részleteit, a háttérben a LabVIEW DSC Module létrehoz egy adatlapot és egy rámutató adatbázis-bejegyzést. Ezek az adatlapok az adatbázis-bejegyzés alapján később újra előhívhatóak. A teszt befejeződésekor a felhasználó a "stop test" gomb megnyomásával jelöli a teszt befejezésének időpontját.

Jelentéskészítés a DIAdem segítségével
A felhasználó a DIAdem szoftver segítségével kiválaszthatja valamelyik korábban elvégzett teszt adatait utófeldolgozásra. A rendszer a felhasználó által kiválasztott tartalommal többféle jegyzőkönyvet tud elkészíteni. Egy DIAdem-szkript segítségével további számítások is végeztethetők, aminek eredményeként a rendszer a kiválasztott változókat az idő vagy a csőhossz függvényében bemutató diagramokat generál.

Az NI szoftverek használatának köszönhető fejlesztésiköltség- és időmegtakarítás
NI termékekből megtervezett és felépített nagyon pontos és megbízható rendszerünk lehetővé teszi megbízónk számára, hogy hatékonyan tanulmányozhassa a gőz viselkedését a szuperkritikus tartományban. Az NI modulok és toolkitek segítségével jelentősen csökkenteni tudtuk a fejlesztéshez szükséges időt, valamint a LabVIEW DSC Module megkönnyítette a jogosultságkezelési és a hozzá tartozó, a frontpanelen megjelenő objektumok engedélyezett/tiltott állapotának kezelését. A network-published shared változókkal lerövidítettük a host és a kliensek közötti, valós idejű, TCP/IP alapú kommunikáció programozásához szükséges időt, illetve az adat- és riasztás naplózás kódolásának időigénye is csökkent a network-published shared változók naplózás- és alarmopciója használatának köszönhetően.
Az NI Scan Engine használatával az FPGA-kódolás és -fordítás idejét csökkentettük, miközben a DIAdem a jelentéskészítéshez szükséges fejlesztési idő lerövidítésében segített. Végül a folyamatábra-alapú LabVIEW Statechart modul segítségével a komplex indítási/leállási folyamat fejlesztési idejét csökkentsük.

A National Instruments honlapja