Wykorzystanie systemów akwizycji danych National Instruments oraz LabVIEW do testowania tysięcy elementów hydraulicznych

Rozwiązaniem było utworzenie aplikacji bazującej na urządzeniach do akwizycji danych firmy National Instruments oraz oprogramowaniu LabVIEW. Pozwoliło to na opracowanie elastycznego systemu, w którym użytkownik może konfigurować rodzaj testowanych elementów, zbierać i przetwarzać dane, a także generować odpowiednie raporty, a wszystko to przy znacznym zmniejszeniu kosztów wdrożenia rozwiązania testującego.

SYSTEM TESTUJĄCY DLA LOTNICZYCH KOMPONENTÓW HYDRAULICZYCH

Fot. 1. Widok omawianego systemu

Wszystkie elementy hydrauliczne samolotów muszą być regularnie testowane w celu zapewnienia bezpieczeństwa ich pracy. Dostawcy wymagają od przewoźników, aby wykonywali oni testy zgodnie z tzw. Component Maintenance Manual (CMM). Instrukcje utrzymania komponentów określają sekwencję działań, poziomów ciśnień i koniecznych do wykonania testów, które pozwalają zweryfikować czy komponent działa poprawnie.

Większość dostępnych obecnie urządzeń testowych pozwala jednak na sprawdzanie działania tylko kilku rodzajów elementów hydraulicznych, co w praktyce oznacza, że mogą one służyć do ograniczonej liczby testów. Jednocześnie koszt ich zakupu może wynieść 60 tys. euro. Firma Hycom, która projektuje i produkuje zaawansowane systemy hydrauliczne, opracowała stanowisko testowe o dużej elastyczności aplikacyjnej, które pozwoliło na testowanie różnych części, w tym pomp, zaworów, cylindrów i elementów wykonawczych.

Nowy system, zgodnie z założeniami, powinien pracować w trybie półautomatycznym, gdzie operator inicjuje wykonywanie kolejnych kroków testowych, a także w trybie automatycznym - w tym przypadku oprogramowanie NI TestStand kontroluje aplikację wykonaną w LabVIEW, przeprowadzając pełną procedurę testową zgodnie z CMM. Urządzenie zawiera szafę sterującą z regulatorami przepływu i ciśnienia, rozdzielaczami oraz elementami służącymi do podłączenia do testowanego elementu, a także panel dotykowy z aplikacją wykonaną w LabVIEW.

Rys. 1. Przykłady ekranów operatorskich podczas pracy systemu

W systemie zdefiniowane zostały różne procedury, umożliwia on też zapisywanie wyników testów. Osoba nadzorująca jego pracę może wczytać dane pozwalające na uruchomienie dowolnego z testów zgodnych z CMM (wczytując także już zdefiniowane parametry dla konkretnych elementów) i wykonać odpowiednią procedurę walidacji.

TYSIĄCE KONFIGURACJI WYMAGAJĄ ZASTOSOWANIA ELASTYCZNEGO SYSTEMU

Ponieważ trudno jest znaleźć komercyjnie dostępny system, który pozwalałby na testowanie wielu różnych komponentów, opracowaliśmy własną aplikację testującą. Użytkownik ma możliwość tworzenia różnych konfiguracji w zależności od rodzaju testowanego elementu. Jej działanie może być zaadaptowane do specyficznych wymogów użytkownika, a przy tym zagwarantowana jest zgodność z odpowiednimi przepisami.

Tworząc system, uznaliśmy, że oprogramowanie powinno zapewniać możliwość obserwacji danych pomiarowych i różnych wskaźników w czasie rzeczywistym, pozwalać na tworzenie wykresów zależności wartości mierzonych w funkcji czasu oraz wykresów typu X-Y (zależnie od dwóch zmiennych wejściowych zdefiniowanych przez użytkownika), a także ustawianie odpowiednich procedur kontrolnych dla sygnałów dynamicznych i przechowywanie danych w formatach Microsoft Word oraz ASCII.

Interfejs użytkownika powinien być również modyfikowalny przez operatora w czasie pracy, w tym poprzez dodawanie wskaźników i kontrolek skojarzonych z wejściami, wyjściami, automatycznymi testami i funkcjami kalibracyjnymi. Do tworzenia aplikacji wybraliśmy platformę LabVIEW. Dzięki temu możliwe stało się zapewnienie wysokiego stopnia integracji sprzętowo-programowej urządzeń National Instruments, służących do akwizycji danych.

Zdefiniowaliśmy odpowiednie wymogi programowe, a firma KW-Automation udoskonaliła właściwe oprogramowanie. Wśród produktów do testowania znajduje się szereg elementów i ich różnych konfiguracji, dlatego też staraliśmy się stworzyć jak najbardziej elastyczną aplikację testującą. Podczas tworzenia konfiguracji użytkownik definiuje listę nazw i łączy je z odpowiednimi urządzeniami do akwizycji danych i czujnikami w systemie pomiarowym. Ten ostatni zawiera również punkty we/wy, do których można podłączyć czujniki będące częścią testowanego elementu - np. wyjścia sterujące dla elementów wykonawczych.

SZCZEGÓŁY APLIKACYJNE SYSTEMU

Wszystkie wejścia i wyjścia systemu są próbkowane w trybie ciągłym z częstotliwością 50kHz (dotyczy przetworników pozycja-napięcie) oraz 5kHz i synchronizowane z resztą sytemu, wykorzystując szynę RTSI (Real-Time System Integration) umieszczoną w obudowie PXI. Uzyskane dane przechowywane są w bazie czasu rzeczywistego i cały czas aktualizowane w tle. W celu rejestrowania i zapisywania krótkich wydarzeń, dane mogą być przetwarzane z wysokimi częstotliwościami próbkowania.

Zaimplementowaliśmy 13 kontrolowanych sprzętowo kontrolerów PID, które uruchamiane są w odstępach czasowych co 5ms. Służą one przede wszystkim do kontroli ciśnienia lub przepływu do testowanych komponentów. Punkty we/wy dla kontrolerów PID są konfigurowane jednorazowo podczas tworzenia danej aplikacji. Oprócz omawianych kontrolerów w systemie znajdują się też elementy PID o funkcjonalności w pełni definiowanej przez użytkownika.

W tym przypadku określone mogą być ich funkcje, sygnały wyjściowe i sprzężenia zwrotnego oraz rodzaje kontrolerów dla każdego testowanego elementu. Aby wskazać, jak testowana część powinna być sprawdzana i podłączona do systemu, operator może skonfigurować i zapisać interfejs użytkownika dla każdego pojedynczego testu, uwzględniając elementy kontrolne, wskaźniki, zdjęcia części, a także parametry i właściwości dla elementów we/wy i kontrolerów PID.

Na panelu użytkownika, obok obszaru roboczego, umieszczono szereg elementów, które mogą być dodawane do interfejsu (przeciągane na odpowiednie miejsce) . Wśród nich znajdują się m.in. wyświetlacze liczbowe, wskaźniki, kontrolki, wykresy, wskaźniki binarne i pola pozwalające na wczytanie zdjęcia testowanego elementu, a także zdefiniowane kontrolery PID, umożliwiające łączenie różnych elementów. Operator może zapisać interfejs użytkownika, w tym rozmieszczenie tych elementów, i wczytać je w razie potrzeby.

Oprócz pozycji obiektu użytkownik ma możliwość zdefiniowania szeregu pozostałych cech, w tym nazwę, rozmiar, jednostki, zasięg, a także sposób połączenia z kanałem lub nazwą. Użytkownik może też zastosować zdefiniowany kontroler PID jako subpanel, co pozwala na wykorzystanie jego frontowego panelu VI w innej aplikacji VI. Zaimplementowaliśmy również funkcję parametryzacji. Ponieważ operator urządzenia kontroluje testy z wykorzystaniem panelu dotykowego, zmiany parametrów mogą być trudne.

Obecnie możliwe jest kliknięcie na kontrolkę, która zmienia kolor na niebieski lub czerwony. Na panelu kontrolnym są też dwa duże pokrętła - niebieskie i czerwone. Odpowiednio nimi kręcąc, można zmienić wartości parametru kontrolowanego. Kolor wskazuje również czy dana linia jest aktywna. Po zdefiniowaniu procedury testowej NI TestStand może ją wykonać automatycznie poprzez sekwencję kroków (w pełni zautomatyzowane testowanie), a także operator urządzenia może wykonać test półautomatyczny, wykorzystując do tego LabVIEW.

ROZWIĄZANIA SPRZĘTOWE

W większości dostarczanych do naszych klientów systemów wykorzystujemy PXI jako bazę sprzętową. Rozwiązanie to zapewnia dużą wytrzymałość urządzenia, trwałe okablowanie, a także wbudowane w platformę funkcje synchronizacji i łatwiejsze utrzymanie systemu przez użytkownika. Nasze urządzenia wykorzystują wiele różnych rodzajów kart akwizycji danych, które dobierane są zależnie od potrzeb klientów.

W większości przypadków standardowym wyposażeniem są ich karty liczników/timerów, służące do podłączania enkoderów i kontroli przepływu, wyjścia analogowe do generowania przebiegów elektrycznych i sterowania pracą siłowników, karty cyfrowych we/wy oraz wejść analogowych do pomiarów przepływu a także ciśnienia oraz karty służące do ciągłej akwizycji danych z przekładników pozycja-napięcie. Te ostatnie pozwalają na pomiary przesunięcia (np. podczas testowania tłoka).

Ich wyjście jest próbkowane z dużą częstotliwością, a następnie dane te są przetwarzane są przez system w celu określenia pozycji testowanego elementu. Typowy system mieć może nawet 10 urządzeń służących do akwizycji danych, które zawierają setki kanałów we/wy, zbierających lub generujących dane z częstotliwością 5kHz.

WNIOSKI

Nowy, niezawodny system zainstalowany został na wielu stanowiskach klientów i zapewnia znaczne zmniejszenie kosztów wdrożenia oraz użytkowania. Jego architektura pozwala na zaimplementowanie systemu testowego zawierającego ponad 10 urządzeń akwizycji danych, co pozwala na adaptowanie aplikacji do określonych potrzeb. Ponadto akwizycja danych, ich przetwarzanie oraz kontrola wszystkich punktów we/wy wymagają dużych możliwości obliczeniowych.

Użyte w tej aplikacji środowisko LabVIEW pozwoliło na odpowiednie wykonywanie zadań i wątków, a także na unowocześnienie systemu komputerowego (z wersji dwurdzeniowej do czterordzeniowej). Zapewniło to duży wzrost wydajności i odbyło się bez konieczności wykonywania jakichkolwiek zmian w kodzie programu.

R. Klein Wolterink
National Instruments Poland Sp. z o.o.
www.ni.com/poland