Aktuální vydání

celé číslo

04

2019

Plnicí a balicí stroje, výrobní logistika a správa skladových zásob

Průmyslové počítače, PLC

celé číslo

Použití LabVIEW pro Rapid Control Prototyping a simulaci Hardware-in-the-Loop

Tento článek pojednává o tom, jak urychlit vývoj řídicích systémů založených na modelování s využitím metod Rapid Control Prototyping (RCP) a simulace Hardware-In-the--Loop (HIL) za pomoci softwaru a hardwaru od firmy National Instruments.

Proces vývoje produktu

Na obr. 1 je V-model, původně navržený pro popis vývojového cyklu aplikačních programů. V současné době existuje mnoho verzí tohoto modelu, které se používají pro vývoj nejrůznějších produktů. Zde je prezentován jeden příklad takového modelu, který je přizpůsoben pro návrh vestavných řídicích systémů, jež se běžně vyskytují v automobilovém průmyslu, letectví nebo obranné technice.

Cílem metod Rapid Control Prototyping, RCP, je co nejvíce zefektivnit proces vývoje zařízení a minimalizovat počet potřebných iterací. Na ose x V-modelu je čas; snahou je tedy zkrátit dobu vývoje zúžením tvaru písmene V tak, že jeho ramena budou přiblížena k sobě navzájem. Než bude popsáno využití hardwaru a softwaru od firmy National Instruments, udělejme si krátký přehled o jednotlivých krocích vývojového cyklu ve V-modelu.

Modelování a návrh

Klíčovým prvkem pro zúžení tvaru písmene V je začít s návrhem vestavného řídicího systému co nejdříve ve vývojovém cyklu produktu. Modelování umožňuje začít se simulací chování řídicího systému v době, kdy ještě neexistuje prototyp řízeného zařízení. Další výhodou je možnost znovu použít modely vyvinuté v předchozích etapách vývoje, a tak výrazně zmenšit objem prací potřebných pro modelování. Jestliže je k dispozici prototyp zařízení, může být modelování doplněno o reálné vstupy a výstupy a modely lze vytvářet pomocí metod identifikace systémů, jejichž nástroje jsou obsaženy např. v NI LabVIEW System Identification Toolkit.

Vývojové systémy jako LabVIEW nebo MATRIXx obsahují množství nástrojů pro pokročilý návrh řídicího systému v interaktivním prostředí, které usnadňuje a urychluje práci vývojářů na návrhu řídicího systému bez nutnosti mít k dispozici hardwarový prototyp. To dává vývojářům možnost určit specifikaci, požadavky a chyby modelu ihned, bez čekání na výsledky zkoušek reálného prototypu.

Inženýři používají k modelování a návrhování řídicích systémů různé nástroje. Jedním z nich je NI LabVIEW Control Design Toolkit, graficky orientovaný nástroj pro návrh a analýzu řídicího systému. NI LabVIEW Simulation Module integruje do prostředí LabVIEW simulaci dynamických systémů. Uživatel může v podobě blokového diagramu modelovat lineární i nelineární, diskrétní i spojité systémy a potom spustit simulaci v OS Windows nebo operačním systému reálného času.

NI MATRIXx je kompletní prostředí pro návrh řídicího systému, které zahrnuje SystemBuild, grafický nástroj pro snadný a rychlý návrh modelu a jeho simulaci. Je to vynikající nástroj zvláště pro práci s velkými a složitými modely.

Platforma NI je otevřená, tzn. že kromě vlastních nástrojů pro modelování a vývoj zařízení umožňuje integrovat modely vytvořené v jiných softwarových prostředích, včetně modelů vytvořených softwarem Simulink od firmy MathWorks, MSC CarSim nebo „ručně“ vytvořených modelů v jazycích C, Fortran apod. Vzhledem k otevřenosti softwarové i hardwarové části platformy NI může vývojář uživatelským rozhraním s prvky NI vybavit v podstatě jakýkoliv simulační model.

Propojení prostředí LabVIEW a Simulink

LabVIEW Simulation Interface Toolkit může být využíván jako rozhraní pro prostředí Simulink. Tento balíček nástrojů navíc obsahuje patentované moduly uživatelského rozhraní pro zobrazení dat a ovládání v prostředí Simulink. Uživatelé pracující v prostředí Simulink tak mohou používat LabVIEW pro simulace off-line na počítači nebo pro implementaci dynamického modelu na vhodnou platformu reálného času a simulaci s využitím metod RCP a HIL.

Pro implementaci na platformu reálného času se používá Real-Time Workshop od firmy MathWorks, spolu s přidanými komponentami z LabVIEW Simulation Interface Toolkit. Tyto nástroje společně umožní z modelu vygenerovat program, který může být následně spuštěn na platformě reálného času.

LabVIEW Simulation Interface Toolkit poskytuje simulačním modelům obrovské množství funkcí uživatelského rozhraní. Pro vytvoření uživatelského panelu lze použít všechny prvky z LabVIEW určené pro vizualizaci a řízení: tlačítka, přepínače, posuvníky, grafy, diagramy, diody atd.

Uživatelská rozhraní simulačních modelů vytvářená v LabVIEW

Pro přípravu připojení signálů lze v simulačním modelu využít blok NI Signal Probe, který je v prostředí Simulink dostupný po instalaci LabVIEW Simulation Interface Toolkit. Pro mapování signálů a parametrů modelu s ovládacími a zobrazovacími prvky LabVIEW se potom využívá SIT Connection Manager (obr. 2).

Když je mapování ukončeno, LabVIEW automaticky vygeneruje program, který vytvoří vazby mezi LabVIEW Visualisation Interface a modelem. Uživatel může prostřednictvím takto vytvořeného rozhraní v průběhu simulace měnit parametry a zobrazovat signály z modelu.

Software reálného času

Po simulaci modelu na běžném počítači je dalším krokem jeho převedení do prostředí reálného času. Firma National Instruments nabízí velké množství softwaru a hardwaru umožňujícíh deterministický běh aplikací v reálném čase a připojení širokého spektra vstupů a výstupů.

LabVIEW Real-Time Module rozšiřuje prostředí LabVIEW o možnost implementace na komerčně dostupné platformy reálného času a poskytuje možnost provozovat programy vytvořené v prostředí LabVIEW v prostředí reálného času. Uživatel navíc může využít LabVIEW FPGA Module a vytvořit vlastní zařízení určené pro simulaci typu Hardware-In-the-Loop (HIL), které generuje rychle se měnící signály – v oblasti simulace mechanických dynamických systémů HIL umožňuje simulovat signály např. z vačkové nebo klikové hřídele či ze snímačů polohy a pohybu. S využitím FPGA lze také přijímat signály a zpracovávat je např. pulzně šířkovou modulací (PWM), dekódovat digitální protokoly nebo digitalizovat analogové signály.

Hardware reálného času

National Instruments doporučuje a nabízí pro simulaci s využitím HIL a RCP v závislosti na požadovaných vstupech a výstupech a na výpočetním výkonu různé platformy. Pro využití HIL je ideální vysoce výkonná platforma PXI. Pro simulaci v prostředí reálného času však lze použít i běžný počítač. To je výhodné v laboratorních podmínkách a při požadavku ovládat jen několik I/O kanálů. Pro RCP je zase nejvhodnější modulární a flexibilní systém CompactRIO (obr. 3).

Rapid Control Prototyping na platformě CompactRIO

Protože čistě softwarová simulace nemůže kompletně postihnout všechny unikátní rysy chování řízeného zařízení v dynamickém prostředí, jsou pro podporu testování řídicích algoritmů v reálném čase vyvíjeny hardwarové prototypy. Metoda Rapid Control Prototyping, RCP, je součástí druhé fáze návrhu řídicího systému ve V-modelu na obr. 1. Na obr. 4 je znázorněno, že navržený řídicí modul je testován na platformě reálného času a připojen k reálnému nebo simulovanému řízenému zařízení. V tomto kroku, již na začátku procesu vývoje, se verifikuje a validuje simulační model a první návrh řídicího systému. Nyní je příležitost k ladění řídicích algoritmů i hardwaru, popř. k zahrnutí dalších požadavků na řídicí systém.

Pro implementaci prototypu řídicího systému lze použít jakoukoliv platformu od National Instruments, nicméně jako nejvhodnější se pro svou robustnost a flexibilitu jeví CompactRIO. Compact RIO je modulární systém zahrnující procesorovou jednotku schopnou vykonávat řídicí programy deterministicky, v reálném čase, zajistit logování dat, fungovat jako webový server atd. Obsahuje také FPGA (programovatelné hradlové pole), díky němuž je flexibilní z hlediska výkonu a umožňuje zpracovávat a generovat vysokorychlostní signály. Ke CompactRIO lze připojit množství reálných signálů: analogové i digitální signály nebo signály s PWM, a dále např. sběrnici CAN, sběrnici podle standardu MIL-STD-1553, jež se používá v avionických systémech vojenských letadel, nebo její civilní obdobu ARINC-429 – vše prostřednictvím komerčně dostupných modulů, bez nutnosti vývoje na zakázku.

Implementace modelů vyvinutých v prostředí Simulink na platformu reálného času

Z modelu řídicího systému vytvořeného v prostředí Simulink může být s využitím nástroje Real-Time Workshop a kompileru Microsoft Visual Studio automaticky vygenerována knihovna DLL, která může být volána z LabVIEW (obr. 5). Pomocí nástroje SIT Connection Manager lze potom snadno konfigurovat reálné vstupy a výstupy řízeného zařízení, aby fungovaly jako výstupy a vstupy pro simulační model. Je možné konfigurovat zařízení NI pro sběr dat, zařízení s FPGA a zařízení se sběrnicí CAN. LabVIEW pak vygeneruje program, který doplní simulační model o část rozhraní pro vstup a výstup signálů pro reálné řízené zařízení.

Po spuštění LabVIEW VI se tento program automaticky nahraje do hardwaru systému reálného času, kde poté probíhá deterministický běh simulačního modelu. Operátorské rozhraní se aktualizuje prostřednictvím Ethernetu z cílového zařízení do hostitelského serveru. Ukažme si nyní, jak tento proces probíhá v praxi.

Implementace na cílovou platformu

V tomto kroku V-modelu (obr. 1) je řídicí program implementován do cílového hardwaru, jímž může být elektronická řídicí jednotka, komerčně dostupný systém s procesorem a s možností modulárního rozšíření, jako je PXI nebo CompactRIO, nebo na zakázku navržený specializovaný hardware. Inženýři mohou rovnou tvořit řídicí software pro cílovou platformu, navrhovat obecné algoritmy a na ně použít vhodný nástroj pro automatické generování kódu pro cílovou platformu, jako např. LabVIEW C Generator, nebo zvolit kombinaci obou přístupů.

Testování Hardware-In-the-Loop a PXI

Při testování Hardware-In-the-Loop, HIL, může vývojář simulovat reálné chování a vlastnosti řízeného zařízení a verifikovat celou řízenou soustavu bez potřeby připojovat řídicí systém na reálné řízené zařízení. Na obr. 6 je vidět, že řídicí program běží na cílovém hardwaru, zatímco řízené zařízení je simulováno v reálném čase na počítači.

V průběhu této testovací fáze je důležité otestovat kompletní soubor funkcí řídicího modulu. Přestože je již možné připojit cílový hardware s řídicím systémem k fyzickému řízenému zařízení, má simulace pomocí modelu řízeného zařízení četné výhody. Testování metodou HIL je cenově mnohem výhodnější a testy jsou snáze reprodukovatelné než při využití fyzického zařízení. Na softwarovém modelu lze simulovat různé provozní podmínky, a dokonce i odchylky, jejichž testování na reálném prototypu by bylo obtížné, nákladné nebo nebezpečné.

Ideální pro testování metodou HIL je platforma PXI, založená na standardu CompactPCI. Typický systém PXI se skládá z šasi, řídicího modulu a I/O modulů v sestavě podle požadavků úlohy. Řídicí modul obsahuje procesor, paměť, permanentní úložiště dat atd. Jestliže se používá systém reálného času, nahrává se aplikace LabVIEW přímo do procesorové jednotky řídicího modulu. Běžící aplikace potom přistupuje k I/O modulům systému PXI. PXI nabízí vysoký výpočetní výkon a schopnost obsluhovat velké množství kanálů – stovky, a dokonce i tisíce.

Pro PXI je k dispozici široká nabídka I/O modulů: analogové i digitální I/O, modul pro sběrnici CAN, modul pro signály s modulací PWM, modul pro dynamické signály, modul pro řízení pohybu nebo modul pro sběr obrazových dat. Stejně jako u platformy CompactRIO, i zde je možné využít modul FPGA a naprogramovat jej prostřednictvím LabVIEW. Do systému PXI lze integrovat i standardní sběrnice jako CAN, Ethernet, MIL-STD 1553 a ARINC 429. Protože PXI má otevřenou architekturu, je možné použít i moduly PXI nebo cPCI třetích stran a snadno je začlenit do základního systému.

Architektura pro simulaci HIL

Systém HIL může mít několik komponent (obr. 7). Hlavní částí je simulační model řízeného systému. Simulace probíhá v reálném čase a jejím výsledkem jsou dynamické charakteristiky simulovaného systému. Pro připojení výstupů řídicího systému na simulační model a výstup signálů ze simulovaného zařízení pro zpětnou vazbu se používají I/O moduly. 

Pomocí FPGA lze vytvářet zákaznická vstupně-výstupní rozhraní podle konkrétních potřeb simulačního modelu. Dalšími komponentami systému HIL mohou být bloky pro logování testovacích dat nebo vytváření posloupností testovacích vektorů. Kompletní systém ještě doplňuje hostitelský počítač s operátorským rozhraním, softwarem pro automatizaci provádění testů, jako např. NI TestStand, a nástroje pro post-processing výsledků, jako např. DIAdem.

Partneři společnosti National Instruments

Jednou z předností přístupu společnosti National Instruments je její soustředění na technicky pokročilé produkty. Společnost National Instruments společně se svými partnery a vybranými integrátory tak může poskytovat úplná řešení pro simulaci a testování s využitím RCP a HIL. Příklady partnerů specializovaných na HIL a RCP jsou MicroNova, Wineman Technologies, Averna nebo KGC.

Společnost National Instruments kontinuálně rozvíjí okruh svých partnerů – dodavatelů produktů, aby mohla prostřednictvím otevřených a flexibilních řešení uspokojovat potřeby svých zákazníků. Příklady jsou MSC CarSim a TESIS DYNAware, dodavatelé nástrojů pro modelování dynamiky vozidel, nebo výrobci rozhraní pro sběrnice jako Condor Engineering.

Výhody platformy LabVIEW

LabVIEW je otevřené prostředí pro navrhování řídicích systémů dynamických soustav a jejich testování. S využitím produktů NI může uživatel používat návrhový software podle svého výběru a kombinovat jej s modulární hardwarovou platformou pro implementaci návrhů založených na modelu do hardwaru reálného času.

Pozn.: Simulink® a Real-Time Workshop® jsou registrované značky společnosti The MathWorks, Inc.

(National Instruments)

Obr. 1. V-model pro návrh vestavných řídicích systémů

Obr. 2. Pro mapování signálů a parametrů modelu s ovládacími a zobrazovacími prvky LabVIEW se využívá SIT Connection Manager

Obr. 3. Pro běh simulace v reálném čase lze využít různé platformy: PXI, běžný počítač nebo CompactRIO

Obr. 4. Rapid Control Prototyping na platformě CompactRIO

Obr. 5. Implementace modelů vyvinutých v prostředí Simulink na platformu reálného času

Obr. 6. Testování Hardware-In-the-Loop a PXI

Obr. 7. Architektura pro simulaci HIL