Aktuální vydání

celé číslo

03

2020

Veletrh Amper

Fórum automatizace a digitalizace

celé číslo

Vývoj systému reálného času pro řízení univerzálního testovacího stroje

Článek popisuje vývoj systému reálného času pro řízení síly a polohy na šedesátitunovém univerzálním testovacím stroji Schenck, který se používá pro statické a dynamické testy letadel a velkých konstrukčních celků či vzorků v letectví a kosmonautice. Navržený systém využívá hardware NI PXI se softwarem NI LabVIEW Real-Time Module, který dokáže řídit osm paralelních smyček pro PID regulaci.

 
Společnost DOLSAT Consult, založená v roce 2005, je partnerem společnosti National Instruments (NI) a specializuje se na vývoj měřicích a řídicích systémů na bázi hardwaru a softwaru NI pro mnoho různých odvětví. Institut pro teoretickou a experimentální analýzu leteckých a kosmických struktur (STRAERO) se sídlem v Bukurešti v Rumunsku zvolil společnost Dolsat, aby nahradila jejich zastaralý řídicí systém s PID regulátory pro hydraulické ventily Schenck (obr. 1), který řídí dva testovací stroje Schenck Hydropuls a šest servohydraulických akčních členů. Starý systém dobře a spolehlivě fungoval, ale ve STRAERO chtěli mít možnost realizovat komplexnější testy konstrukčních celků a vzorků a požadovali systém s větší přívětivostí k uživatelům.
 
Jako poskytovatel služeb pro letecký a kosmický výzkum a vývoj nabízí STRAERO specifické zátěžové testy mechanických konstrukcí, včetně zatížení tahem a tlakem, testování únavy materiálu, meze kluzu a rázových zkoušek se zátěží až 60 t.
 
Hydraulický systém Schenck pro řízení polohy reprezentoval v průběhu dvaceti let, po něž byl v provozu, spolehlivé řešení. Byl také průběžně vylepšován, např. pomocí generátoru průběhů zatížení Rigol s velkou stabilitou či systému pro sběr dat MGCplus od firmy HBM. Nicméně omezení řídicího systému s PID regulátory spolu s náročností integrace nových hardwarových vylepšení do softwaru stroje začaly představovat zjevné problémy dokonce i při jednoduchých testech.
 

Nové řešení

Zákazník požadoval, aby nový řídicí systém zahrnoval PID regulátory pro řízení osmi hydraulických servoventilů, které ovládají stroje Hydropuls a akční členy, a aby nahradil starý reléový řídicí a monitorovací systém.
 
Konstruktéři firmy Dolsat uvažovali o systémech od firem Moog nebo Parker Hannifin, ale nakonec se rozhodli použít hardwarovou platformu NI PXI spolu se softwarem LabVIEW Real-Time Module, a to pro dobrou integraci hardwaru a softwaru a také pro flexibilitu a rozšiřitelnost celého systému.
 
K měření polohy jsou ve strojích Hydropuls používány indukční snímače LVDT řady W od firmy HBM v zapojení s polovičním můstkem. Pro zajištění kompatibility byl zvolen modul pro přizpůsobení signálu Clip AE501 od firmy HBM s výstupem ±10 V. Pro překonání některých omezení analogově digitálních převodníků typu sigma-delta při jednobodovém sběru dat s hardwarovým časováním byl vybrán měřicí zesilovač HBM-AE101, také s výstupem ±10 V. K měření signálů ±10 V z modulů HBM bylo použito osm diferenciálních analogových vstupních kanálů na multifunkční desce DAQ NI PXI-6220 z řady M, která se ukázala být pro tento účel nejvhodnější.
 
Pro řízení servoventilu byl použit servozesilovač AN405 od firmy Pees Components se standardním vstupem ±10 V, který dokáže generovat proud ±100 mA. Ačkoliv systém pracuje v prostředí se silným elektrickým rušením, při použití izolovaného modulu NI PXIe-4322 s analogovými výstupy bylo možné servozesilovač ovládat bez problémů s diferenciálním rušivým napětím. To byl rozhodující faktor pro spolehlivost a determinističnost chování vyvíjené řídicí aplikace. K měření logických signálů s úrovní 24 V z hydraulické monitorovací jednotky Schenck, které zahrnovaly limity teploty oleje, výpadky tlaku a funkci ohřevu, byl použit izolovaný digitální vstupní modul NI PXI-6511. Pro ovládání čerpadel a bezpečnostních signálů byla zvolena polovodičová relé řady R600 od firmy ABB, která jsou řízena izolovaným digitálním výstupním modulem NI PXI-6513.
 
Od začátku projektu byl vývoj aplikačního softwaru zcela bez problémů. Vývoj urychlily zejména ukázkový projekt LabVIEW Real-Time Control a vyčerpávající dokumentace, kterou výrobce k systému dodává. Aplikace reálného času používá čtyři paralelní smyčky. Jedna časovaná smyčka je určena pro správu kritických procesů souvisejících se sběrem dat s hardwarovým časováním. Další tři smyčky spravují komunikaci s nadřízeným PC, záznam dat a dohled nad měřicím strojem. Komunikace mezi aplikací reálného času a nadřízeným PC byla implementována s využitím síťových streamů, a to jak pro komunikaci s velkou propustností, tak pro běžnou komunikaci prostřednictvím zpráv.
 
Na obr. 3 je základní uživatelské rozhraní řídicího systému, na obr. 4 ukázka zobrazení výsledků měření: jde o jednoduché testování mechanické odolnosti ploché kovové tyče s použitím síly ±5 kN s harmonickým průběhem (bílá: měřená hodnota; červená: nastavená hodnota).
 

Závěr

S použitím hardwarové a softwarové platformy od NI a s podporou týmu NI zahájila firma Dolsat implementaci škálovatelného a spolehlivého systému, který nahradí dvacet let starý a osvědčený systém Schenck Hydropuls.
Tom Savu, Daniel Cazacu,
DOLSAT Consult
 
Obr. 1. Řídicí a monitorovací systém Schenck s PID regulátorem síly a polohy
Obr. 2. Základní blokový diagram řídicího systému
Obr. 3. Základní uživatelské rozhraní použité pro testování
Obr. 4. Ukázka zobrazení výsledků měření