三星科技公司 (Samsung Techwin) 使用 NI LabVIEW 與 CompactRIO 開發即時引擎模擬系統

Author(s):
Moon Sohk Chae - Samsung Techwin

Industry:
Energy/Power

Products:
CompactRIO, LabVIEW, FPGA Module

The Challenge:
開發引擎模擬測試系統，以提升由三星公司所製造燃氣渦輪 (Gas turbine) 引擎控制器的效能。

The Solution:
使用 NI LabVIEW 與 CompactRIO，建置 PC 架構的完整模擬與測試環境，以取代又大又累贅的資料擷取系統。

燃氣渦輪引擎為整合多種技術的複雜引擎，也難以評估其整體效能。在一般情況下，量測問題將影響於實際引擎上所執行的分析作業。因此，燃氣渦輪引擎控制器硬體的設計與檢驗，和其控制運算式的設計，均為其主要挑戰。

針對我們開發的燃氣渦輪引擎控制器，開發適用的引擎模擬器以檢驗其安全性與功能，實為極重要的一環。為了建置安全且完善的引擎控制器，我們必須在整合控制器硬體與其運算式至實際引擎之前，先想出檢驗的方法。

我們想要建立虛擬引擎 (或引擎模擬器)，以提升引擎控制器的效能。為了取代又大又累贅的資料擷取系統，我們使用於 PC 執行的 NI LabVIEW，並搭配精緻的 NI CompactRIO 硬體平台，成為完整的模擬與測試環境。最後模擬的虛擬引擎系統，將可輸入並輸出相同於實際引擎的實體訊號，且支援檢驗軟硬體完整性的最佳解決方案。

透過以數學方式進行燃氣渦輪引擎的模型化 (Modeling)，我們將可計算引擎的效能參數。接著可將這些結果轉換為實際訊號，並輸出/入至燃氣渦輪引擎控制器中。透過這些嘗試與錯誤經驗，我們可測試引擎控制器硬體與運算式、提升可靠度、縮短除錯 (校準) 時間，並預先避免尚未發生的控制器故障情形。

 

開發歷史記錄

為了開發控制器運算式，我們使用了 NI LabVIEW、LabVIEW 模擬介面工具組 (Simulation Interface Toolkit) 2.0、The MathWorks, Inc. MATLAB^® 與 Simulink^® 軟體，還有 Visual C++ 作為開發工具。整個設計程序僅花費 1 位開發人員的 9 個半月時間 – 共 2 個半月為硬體設計與建置；LabVIEW 程式設計約 3 個月；3 個半月為除錯與檢驗；最後約 10 天用於封裝出貨。再透過模擬的報表功能，我們可以解決將近 75 項引擎控制器的驗證項目。(相對而言，執行驗證則必須透過實際引擎測試超過 1 年的時間。)

 

系統設定

燃氣渦輪引擎模擬系統設定，包含虛擬引擎模擬器、燃氣渦輪引擎控制器、控制運算式 (應用程式軟體)，與模擬器伺服。虛擬引擎模擬器包含引擎動態特性計算所需的數學模型、即時作業執行、狀態計算，與輸出參數產生。透過個別設計並建置的訊號轉換器模型，模擬器可於輸出之前，先將輸出參數轉換為實際壓力/溫度/RPM 訊號。我們使用於 8 槽 NI CompactRIO 機箱進行程式設計的 FPGA，可達到即時作業、I/O，並溝通模擬器伺服；該機箱並可容納訊號轉換器。

引擎控制器為執行引擎控制的實際硬體。我們裝載了高效能 CPU，並使用引擎線束 (harness) 連至模擬器。控制運算式為引擎的作業邏輯與控制補償程式 (Compensator)。(運算式為引擎控制的最重要概念；必須針對應用的精確規格進行程式設計。)最後模擬器伺服為控制電腦，主管虛擬引擎模擬器的作業、資料儲存，與使用者介面。

我們的引擎模擬器於 CompactRIO 硬體中，整合 FPGA 程式設計與即時程式設計。我們於 LabVIEW FPGA 中進行高速濾波與 I/O 的程式設計，並將之下載至 CompactRIO 機箱作為 FPGA。接著並下載運算式至 CompactRIO 控制器，以用於即時處理。

我們開始時使用 NI cRIO-9102 – 8 槽的 1M 閘機箱，但發現 1M 閘不敷需求之後，則改 用cRIO 9104 3M 閘機箱。由於對原始類比輸出模組 NI cRIO-9263 來說，外部驅動電流僅為數 mA，因此我們亦新增類比緩衝電路至訊號轉換模組。

透過模擬器伺服程式，使用者可執行使用者介面工作，如暫時的引擎狀態調整、模擬設定調整、模擬啟動/暫停/退出，與最後的引擎狀態設定。引擎狀態監控程式，將提醒使用者有關應用軟體的完整性，包含引擎變更顯示與資料儲存。在整體系統開發期間，引擎狀態監控程式將花費最多的開發與除錯時間。

先前 PXI 架構系統的尺寸與重量限制，造成某個程度的移動困難。同時，由於作業系統為 Windows 架構，因此不適用於重要作業的應用。CompactRIO 進一步成為開發者所青睞的平台，適合解決於上述限制問題，並可建置新的控制或監控概念。裝載於我們新系統中的即時作業系統，可確保作業的穩定性。而 LabVIEW 可讓我們執行 FPGA 程式設計，並大幅降低個別作業與監控的開發負擔。

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Moon Sohk Chae
Samsung Techwin

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