Dalla simulazione alla pratica: fast-prototyping applicato ad un sistema di controllo real time.

Author(s):
P. Ghidetti - SIDEA

Industry:
ATE/Instrumentation

Products:
NI-IMAQ, LabVIEW, PXI/CompactPCI, Real-Time Module

The Challenge:
L’attività tipica di un laboratorio dedicato alla ricerca e sviluppo in ambito industriale è quello di indagare differenti approcci e soluzioni alle problematiche tipiche del settore specifico. In questo contesto assume particolare rilevanza la capacità di rendere estremamente flessibile e veloce il percorso che porta dallo studio e dalla simulazione di una metodica sino alla implementazione prototipale della stessa per effettuare prove sul campo e collezionare dati reali cosi da poter affinare ulteriormente il modello del processo e il controllore stesso.

The Solution:
SIDeA srl da tempo opera nel settore dello studio e dello sviluppo di algoritmi innovativi da applicarsi nel mondo della elettronica con applicazioni di tipo “consumer”. Particolare rilevanza in questo settore e nel mercato italiano è rivestita dal mondo degli elettrodomestici. Per tale ragione, e nell’ottica descritta nel precedente paragrafo, è stato deciso di investigare le prospettive che potevano aprirsi con l’applicazione di nuovi prodotti quali il Simulation Interface Toolkit (SIT) della National Instruments. Questo prodotto, di relativa recente introduzione sul mercato, consente di coniugare il mondo della acquisizione dati con quello del controllo, salvaguardando tutti gli investimenti già effettuati dalla azienda sia in termini di man-power dedicato allo sviluppo di modelli matematici di simulazione sia in quelli di allestimento di banchi di test. Il tutto con una rapidità estrema e con una grande integrazione fra i settori della simulazione e quelli della sperimentazione.

IL SISTEMA
Come caso “scientifico” di applicazione nel settore degli elettrodomestici e’ stato assunto quello relativo a possibili applicazioni su lavatrici e asciugatrici. Mentre per le ultime i tempi di controllo possono essere più blandi, per le lavatrici è noto come sia necessario un controllo che risponda in 10 ms (100 Hz). Da qui la necessità di avere un sistema con tempi di reazione rapidi e deterministici. Scartando l’ambiente Windows, che non soddisfa tali richieste, si è passato ad un ambiente real-time utilizzando NI LabVIEW RT.
Il sistema predisposto per i nostri test è stato elaborato sulla base di una architettura basata su due Personal Computers (PC) comunicanti tramite rete Ethernet . Il primo PC (denominato PC Target) ha il compito di eseguire i processi critici (controllo, acquisizione dati) ed opera con sistema operativo LabVIEW RT; il secondo e’ stato delegato alla interfaccia utente (UI) ed opera con sistema operativo Windows XP. Il PC Target ha il compito di chiamare la DLL di controllo (si veda il paragrafo successivo), acquisire i segnali dall’ambiente esterno e salvare i dati su file. Il PC dedicato alla UI permette all’utente di avere sotto controllo l’ambiente di lavoro visualizzando su grafici gli andamenti delle uscite del controllo o i segnali acquisiti. L’utente ha la possibilità di impostare manualmente vari parametri di controllo (modificabili anche a run-time), oppure di lanciare sequenze automatiche con diversi pattern di funzionamento e diversi parametri di controllo.
Entrambe le applicazioni, UI e per il PC Target, sono sviluppate con NI LabVIEW.
Il PC Target è in grado di acquisire segnali da differenti tipologie di sensori (termocoppie, accelerometri, encoder, corrente, tensione e trasduttori ottici dedicati alla misura di posizioni spaziali) mediante un sistema di acquisizione e condizionamento basato sulla architettura SCXI e strumentazione esterna connessa al sistema attraverso una interfaccia GPIB. Ogni segnale viene campionato ad una frequenza di 5 kHz e salvato in un file binario per permettere una elaborazione off-line. Oltre a questi segnali, il PC Target salva su file le uscite del controllore. Il tutto è sincrono e riferito alla base dei tempi del sistema real-time (risoluzione del micro secondo). Questi file permettono off-line di ricostruire l’intera prova, conoscendo lo stato del controllore e i segnali provenienti dai sensori.

IL CONTROLLO: DALLA SIMULAZIONE ALLA PRATICA
Generalmente, un controllo viene realizzato e provato in simulazione con un modello del processo da controllare (ad esempio, in questo caso, un modello di lavatrice). Nel nostro caso il controllo in esame è stato realizzato in ambiente Simulink di MathWorks. Una volta che il modello è stato studiato e ottimizzato, per passare al mondo reale si presentano principalmente due strade: riscrivere il controllo in un altro linguaggio di programmazione (es. C o LabVIEW) e quindi farlo girare su un processore o un PC, oppure usare strumenti automatici di conversione che generalmente creano codice in linguaggio C. Seguendo la seconda strada, e grazie al prodotto Simulation Interface Toolkit è possibile tradurre il proprio controllo in una DLL (Dynamic Link Library) pronta per essere utilizzata in LabVIEW, sia con sistema operativo LabVIEW Real Time che Windows.
Partendo dall’ambiente Simulink, tramite Real-Time Workshop di Mathworks, un compilatore C++ (Visual C++ o .Net) e NI-SIT il proprio controllo viene convertito in modo del tutto trasparente e in pochi secondi in una DLL.
Tornando al sistema descritto nel precedente paragrafo, per poter utilizzare la DLL creata e’ stato sufficiente copiarla in una determinata cartella del PC Target. Il software realizzato la propone automaticamente all’utente che può selezionarla e quindi utilizzarla per effettuare le prove. Questi passaggi ben mostrano come con questa architettura sia possibile essere operativi passando dalla simulazione alla pratica in pochi minuti.
Parallelamente è stato provato con successo un secondo approccio: il nucleo del software, ovvero la parte chiamante la DLL, è stata sostituita con un controllo creato interamente in LabVIEW sfruttando il Simulation Module di National Instruments. Questo modulo aumenta le potenzialità all’ambiente LabVIEW aggiungendo un Simulation Loop che permette di sviluppare e simulare un controllo sotto forma di funzioni di trasferimento nel dominio delle frequenze. Il passaggio al mondo reale è risultato ancora più veloce e semplice, richiedendo un numero inferiore di passi e quindi di prodotti utilizzati, rispetto alla soluzione con SIT e DLL. Infatti, senza modificare il controllo fatto, basta completarlo inserendo le funzioni (ad esempio tramite driver DAQmx) che leggono il feedback da un canale hardware e attuano l’uscita del controllo (La Figura 2 illustra in modo semplificato quando descritto precedentemente). Il programma può quindi essere eseguito direttamente in ambiente Real-Time.

CONCLUSIONI
La attività svolta da SIDeA srl nel mondo della simulazione dimostra come siano maturi i tempi per poter approcciare in modo differente le problematiche connesse con lo sviluppo rapido di prototipi di sistemi di controllo. Nuovi prodotti disponibili nel contesto dell’ambiente di sviluppo LabVIEW facilitano questo compito e rendono maggiormente produttivo l’operato nel settore industriale.

Browse All Case Studies »