於德國航太研究中心，開發新環保火箭 (Green Rocket Propellant) 推進器燃料測試平台的控制中心

Author(s):
Wolfram Koerver - S.E.A. Datentechnik GmbH

Industry:
Research, Aerospace/Avionics

Products:
CompactRIO, Real-Time Module, LabVIEW, PXI/CompactPCI, FPGA Module

The Challenge:
於環保推進器燃油 (Green propellant fuel) 測試設施中，運作 1 組優先測試單位系統與 1 組緊急停止系統，以監控來自於名目檢定 (nominal test) 台控制系統的訊號；並接著執行所有必要的動作，將測試台帶入安全狀態，以避免訊號發生錯誤。

The Solution:
使用 PXI 量測與控制硬體，以執行由 NI CompactRIO 所主導的優先單位量測與控制中心，並進一步決定於不同系統之間傳遞控制訊號的裝置，且要能夠控制緊急停止系統，確保可直接控制任何緊急狀態下的火箭測試台；當然，該裝置亦由 NI CompactRIO 所控制。

德國航太研究中心 (German Aerospace Research Centre，DLR) 的太空推進器機構 (The Institute of Space Propulsion)，針對適當利用環境與無毒的火箭推進燃料應用，具有世界性的研究影響力。我們的新環保推進器 (GPP) 測試設施，目前正於 Lampoldshausen 建造中。該設施為執行 DLR 實驗火箭引擎測試所設計，要能夠於近似實際情況的條件中進行操作。GPP 具有最高 6 MPa 的燃燒室壓力，與超過 3,000 °C 的高氣體溫度。我們的 GPP 研究作業，使用液態氧氣為氧化劑，與目前歐洲最常用的環保推進燃料 -- 液態甲烷為燃料。

 

我們操作測試台，並於 GPP 連接所有來自於控制室的監控訊號。為了執行火箭測試，我們使用 1 組 FPGA 處理最多 60 個數位通道，以控制測試台的不同要件，包含感測器與致動器監控所需的其他訊號與注油活門。FPGA 將於測試執行期間，處理、視覺化，並儲存測試台的訊號。量測與控制中心 (MCC) 的 PXI FPGA 控制器裝置，將於作業期間監控效能，並確定在所有的狀態下，所有的安全性程序可運作無虞。

為了避免名目控制 (nominal control) 系統失效，共有 2 組額外的獨立子系統可執行所有的安全性作業 – 緊急停止系統 (ESS) 與優先單位 (PU)。

當 PU 監控到來自於 MCC 的監控訊號，則 ESS 執行所有必須的動作，以將測試台帶入安全狀態，以免監控訊號發生錯誤。

 

我們亦需要 1 組獨立的即時系統，以根據現有的控制狀態，以程式化關閉測試台；此特別適用於 ESS 的安全性關機 (safety shutdown)。我們的測試人員必須根據特定測試需要，對此系統進行程式設計；因此該軟體必須具彈性與開放性。

 

解決方案

測試台控制與量測電子系統，安裝於 5 組 19 吋的機架中，並包含個別的備援電源。監控系統整合於 5 組機架中的 2 組，並包含 4 個主要部分 – 3 個控制元件與 1 個智慧型切換單位：

• MCC (由 NI Alliance Partner Werum Software & Systems AG 所開發) 是以 PXI 量測與控制硬體為架構。
• 手動切換面板 (MSP) 不需任何啟動的系統 (如電腦或 FPGA)，即可手動控制測試台。
• ESS 於 CompactRIO 中執行，並確保可於任何緊急情況下，直接控制火箭測試台；即便如 MCC 或監控系統發生故障亦可運作無虞。
• PU 亦於 CompactRIO 中執行，可決定目前進行控制的裝置，並連接不同系統 (手動控制、PC 控制，與緊急系統) 之間的控制訊號。

 

PU 負責透過由 NI Alliance Partner S.E.A. Datentechnik 所建立的切換矩陣，安全地連接控制訊號通道至系統。切換矩陣將轉換 3 個元件 (MCC、ESS，與 MSP) 之間的控制作業。PU 將監控外接的主要切換器，並控制系統進入不同的開啟與關閉模式。

PU 佔有 19 吋機架中的 5 個機架單位，亦包含控制訊號切換矩陣。該單位是以 CompactRIO 系統為架構，包含 1 組 NI cRIO-9101 的 4 槽機箱 (具有 1 M 閘可重設 I/O FPGA)、1 組 NI cRIO-9002 即時控制器、1 組 NI 9425 的 32 通道數位輸入模組，與 1 組 NI 9476 的 32 通道數位輸出模組。NI 9425 與 NI 9476 將控制切換矩陣，並監視監控作業與主要切換。矩陣將使用特殊切換繼電器，以連接 3 x 60 個輸入至 60 個輸出，以確保所需的切換時間。我們可於實驗準備期間，存取並程式設計 CompactRIO 系統，且透過墊盤 (Service plate) 設定相關階段 (Phase)。任何外接系統監控錯誤的程序與反應邏輯，均將程式設計為 FPGA 單位，以確保於數個微秒 (millisecond) 中即發生反應。

 

根據主要切換或緊急停止切換的設定，FPGA 邏輯將立刻設定輸出連接至控制中的系統，以執行所需的作業。當監控與切換設定所指定的條件發生，測試台僅可切換手動 MSP 至電腦控制的測試台 MCC 作業；以進行安全變更。為了避免於 MCC 作業期間，遺失監控訊號或按下緊急停止按鈕，系統控制將以先前所定義的時間區段之內切換至 ESS。

 

ESS 亦以 CompactRIO 系統為架構，包含 1 組 NI 9104 的 8 槽機箱，具有 3 M 閘 FPGA；1 組 cRIO-9004 即時控制器，與 NI 9425 和 NI 9476 數位 I/O 模組。NI 9425 與 NI 9476 模組將處理 180 個數位 I/O 訊號。該系統將整合至由 S.E.A. Datentechnik 所設計的 1 組 19 吋電子裝置抽屜 (Electronic drawer)。

就如名目 MCC 系統的備份系統，ESS 將持續量測目前系統的 60 個數位控制通道狀態，並映射 (mirror) 至其 60 個數位輸出通道；讓系統可依據測試台最後的狀態進行關機。自行關機將根據同樣由 ESS 監控的 MCC 目前狀態。根據 MCC 的 5 個數位狀態通道，ESS 將啟動 9 個關機序列之一，以確保測試台的安全狀態。實驗準備小組可輕鬆將這些序列調整為特定實驗所需。FPGA 軟體包含適用於客制特定序列開發的範本。

我們透過墊盤後方的乙太網路接頭，以 LabVIEW FPGA 進行 CompactRIO 系統的程式設計。除了主要切換器與 LED 指示燈之外，我們不需額外的作業平台或電腦，即可執行 PU 或 ESS 的必要安全性函式。我們以 LabVIEW Real-Time 與 FPGA Module ，即可進行系統的整體效能、測試、品質，與檢驗；並透過 S.E.A. TestMaster，使用模擬硬體與軟體以模擬整個環境。

 

摘要

使用 NI PXI 與 CompactRIO 即時技術，我們設計了測試台解決方案，以監控並切換訊號，且不須 CPU 即可執行必要的安全性作業。在區分不同的必要安全性功能至獨立的 FPGA 控制系統之後，研究者可變更作業環境，針對 FPGA 函式進行迅速又簡單的程式設計，並啟動重要火箭實驗的準備與錯誤安全性功能。

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