以 NI CompactRIO测试高动态燃料电池

作者:
Dr. Guenter Randolf - GRandalytics

行业:
能源/电力, AET/仪器

产品:
数据记录与监控模块, CompactRIO, LabVIEW, FPGA模块, 实时模块

挑战:
设计全新的燃料电池测试系统，其速度必须高于常见的市售系统，拥有 24/7作业安全性，不需依赖 Windows 操作系统的计算机，可独立于多台计算机之间接收、传送数据，可平行执行多项仿真与指令码，甚至可于不同机器中执行作业。

解决方案:
以 NI CompactRIO 硬件架构出的控制系统，要能透过 NI LabVIEW Real-Time Module 控制整座测试工作站，可于 FPGA 层级验证量测并处理警示情况，透过 UDP 进行独立通讯，以 GUI 沟通仿真器，可立刻运用插入式模块，并以功能强大的 GUI 轻松执行作业。

由于环保意识高涨，多种应用对燃料电池的需求亦与日遽增；包含从固定式系统、汽车应用，乃至于行动电话，均不离开此范畴。从过去的历史来看，工程师设计燃料电池的着眼点，为适用于长期且稳定的测试，且必须能够进行简易的效能评估。然而，交通运输应用的燃料电池必须能够快速进行反应，测试系统也因此必须可进行周期仿真与瞬时分析。因此，新系统除了要能进行简易量测之外，亦要能进行高动态测试、硬件回路 (HIL) 模拟、独立式平台的通讯作业，还要能进一步扩充。我们利用顶尖科技 (包含 FPGA 与 LabVIEW Real-Time Module)，于极短的时间内设计并建立安全且高稳定的系统，并更达到极高的系统效能。

系统概述

一如常见的工作站，此系统主体为图形化使用者接口 (GUI) 与仿真系统，并搭配不同的操作系统与软件；而软件可调整的平行多重数据 I/O 节点，则为我们系统所专有。我们必须以不同的工具 (如MathWorks, Inc. , Simulink® 软件) 撰写多个软件模型重的软件模块，且必须平行处理多组指令码 (如图 2 所示，我们使用 Simulink)。因此，使用者数据流协议 (User datagram protocol，UDP) 成为我们爱用的通讯方式。许多应用即以 UDP 为中心架构，且不需额外的硬件。多组已注册的计算机可将设定点传送至控制器，且所有数值均将保留，直到被其它传送器覆写。在回传的过程中，系统将从控制器传送量测结果至已完成注册的计算机。

CompactRIO – 自动化的大脑

不同于传统以计算机控制的测试工作站，此系统完全是由 CompactRIO 实时控制器所操作，可确保整体精确度；因此系统本身即拥有安全性与稳定性。FPGA 为系统的关键组件，代表安全性的第一道关卡。所有的量测数据将通过 FPGA，并接受第一次的检验作业。系统将于极短时间内对警示做出反应，避免对复杂的高阶应用造成影响。

透过 DMA 与相关调整作业，系统即可将数据传送至控制器，并以虚拟通道与UDP 所接收的设定点，进而整合相关信息。并将 1 组动态产生、开放式来源码的插入式 VI，作为功能性的核心 (Kernel)，以容纳所有特殊测试标准的作业。工程师将此核心嵌入至一般外壳中，进行数据输出、输入、调整、警示、安全等功能。我们将检查达到 3 级静态与 2 级动态的警示事件；并将后者与其它通道进行交叉比对。系统接着将结果回传至 FPGA，并透过 UDP 传送至外部节点。

传送数据将占用大量的处理器资源；因此，我们藉由延迟控制 (Deadband control) 与传输管理作业，以最小化信道数量。延迟与传输作业的优先性，仅为每个信道 40 组属性之其中 2 组；另外还有 5 级警示、回转率 (Slew rate)、与同步化 ID，均为信道属性。系统于启动过程中，将从受保护档案中汇入所有属性，再透过第二组 UDP 通讯端口以迅速进行变更。我们保留第三组 UDP 通讯端口进行参数交换，如受限信息、校准数据，或子系统的重新初始化作业。

由于我们的系统可平行处理大量回路，因此在设计实时程序代码时，将大量采用LabVIEW 数据流的程序设计技术与平行机制。因此，我们可依多种周期次数建立频率回路的架构，并以大型或精巧的程序代码，达到异步化的事件触发架构。

XControl Power 的功能面

设计的相关经验，与使用多组测试工作站，均将影响 GUI 的开发作业。因为控制器已经负责安全性与核心功能，我们可将注意力集中于简单易用、直觉性，且可扩充的终端操作。独立回路可处理外围作业 (如传输数据，或将之储存于 Citadel 数据库)，构成不需额外处理的作业架构。具有 LabVIEW 使用经验的客户，将不需接触后端的处理程序，即可存取来源程序代码，进而建置自己所需的功能。

新的 LabVIEW XControls 可让我们将多项功能整合至控制器中。在交互式的管线仪表图 (Piping and Instrumentation Diagram，P&ID) 中，单一 XControl 即可建构所有的客制控制作业。控制作业将遵循 DIN 标准，且其外表将根据其实体属性而有所变化。我们并可根据不同的实体单位，针对控制作业进行同步化、撷取，与调整，当然亦可显示警告状态。

管线颜色将根据传输媒体的不同而变化 (如黄色代表氢，黑色代表氮)，以立刻粗略了解相关状态。透过「Run-time」菜单，我们可动态呼叫插入式 VI，以新增特别功能，如计数器或定时器、指令码产生 (Scripting)，或特殊量测。对菜单按下鼠标右键，则将显示控制属性，并开启可设定卷标属性的工具。

CompactRIO 的尖端技术可简化开发过程，以完成全新且实时的燃料电池测试工作站。我们设计出完整且高传输率的数据接口，可介接所有虚拟的计算机平台与软件。

针对现有最新的燃料电池测试器，我们将电子负载 (Electronic load) 的反应时间从 800 ms 缩短为 50 ms；此实为动态燃料电池测试技术的重大突破。而系统效能亦不容小觑，可达多重安全层级与轻松进行兼容的软件。由于所有安全相关的子系统均经过加密且无法开放，因此我们的系统可针对 GUI，将开放式原始码或实时插入式 VI 提供予使用者。在众多竞争者中，此功能更显其高价值且专属的特性。

虽然测试工作站可搭配 RS232 而提供 176 个模拟与数字 I/O 信道，并以序列外围接口 (SPI) 沟通附加的仪器，我们仍简化整体架构的设定作业。我们以可调整的硬件架构为基础，搭配FPGA、I/O 模块，与弹性的软件，达到此革命性的概念，并具有极高的扩充与再使用价值性。此套设定，可简化整个测试工作站的开发作业，亦可轻松更新现有系统，以获得极高的经济效益。