Heterogenes Prüfstandsleitsystem für den „Green Propellant“ Prüfstand am Institut für Raumfahrtantriebe

Author(s):
Dipl.-Phys. Volker Schmidt - Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. – Lampoldshausen, Institut für Raumfahrtantriebe
Dipl.-Phys. Thorsten Buth - Werum Software & Systems AG
Dipl.-Phys. Carsten Stein - Werum Software & Systems AG

Industry:
ATE/Instrumentation, Aerospace/Avionics, Research, Industrial Controls/ Devices/ Systems, Machines/Mechanics, Energy/Power

Products:
Real-Time Module, Real-Time, LabVIEW, Multifunction DAQ, Real-Time

The Challenge:
Entwicklung eines heterogenen Raketenprüfstandes zur Erforschung alternativer Antriebsmöglichkeiten unter strenger Berücksichtigung aller für den Forschungssektor notwendigen Auflagen, wie z.B. ein hohes Maß an Flexibilität hinsichtlich Regelfunktionen und Abläufen.

The Solution:
Es wurde beschrieben, wie die Programmierung von Funktionen innerhalb eines FPGA mittels LabVIEW es ermöglicht, schnelle und sicherheitsrelevante Funktionalitäten in „Hardware“ zu implementieren und trotzdem eine weitgehende Flexibilität duch Parametrierung zur Laufzeit zu erreichen.

Kurzfassung

Beim DLR werden am Standort Lampoldshausen im Institut für Raumfahrtantriebe neben Prüfständen für bereits im Einsatz befindliche Raketen­antriebe auch Prüfstände zur Entwicklung von Technologien für zukünftige Raumfahrtantriebe und zur Erforschung alternativer Treibstoffe für Raumfahrtantriebe betrieben, entwickelt und aufgebaut. Ein neuer Forschungs- und Entwicklungsprüfstand ist der zz. im Aufbau befindliche „Green Propellant Prüfstand“ P6.1. Die Steuerung von Raketenprüfständen erfolgt
über Steuerungssysteme (MCC-Systeme – Measuring, Control and Command Systems), die neben der Steuerung des Versuchsablaufs auch die Erfassung aller am Prüfstand erfassten Parameter sowie die Überwachung aller Prüfstandssysteme gewährleistet. Am P6.1 basiert das MCC auf PXI-, FPGA- und cRIO-Komponenten. Weil es sich hierbei um einen Forschungsprüfstand handelt, müssen sein Aufbau und seine Abläufe in weiten Grenzen jederzeit änderbar sein. Dies erforderte vom Prüfstandskonzept ein hohes Maß an Flexibilität hinsichtlich Regelfunktionen und Abläufen, während gleichzeitig Echtzeitverhalten und operationelle Sicherheit gewährleistet werden müssen.

Dieser Beitrag beschreibt wie diese Forderungen in einem System vereinigt wurden und wie spezielle Echtzeit-Funktionen durch Einsatz von FPGA-Komponenten realisiert werden konnten.

Überblick über das MCC-System

Das für den „Green Propellant Prüfstand“ entwickelte MCC-System (siehe Abb. 1) besteht wesentlich aus drei Hauptkomponenten:

• Front-End zur Datenerfassung (DAQ-FE),
• Front-End zur Prüfstandssteuerung (CTRL-FE),
• Back-End zur Datenverwaltung und Visualisierung (BE).

Neben den o.g. Komponenten enthält ein MCC-System weitere, für den sicheren Betrieb des Prüfstands notwendige Komponenten:

• Prioritätseinheit (PU),
• Notstop-System (ESS),
• Manuelles Bedienpanel (MSP).

Basierend auf cRIO-Komponenten wurden diese Komponenten von einem weiteren Zulieferer erstellt und installiert.

Nachfolgend wird der Fokus speziell auf die Komponenten des MCC-Systems gelegt, die es erlauben:

• Ventilschaltsequenzen zu generieren und übergangslos zu wechseln,
• Grenzwertüberschreitungen auf ausgewählten Kanälen zu detektieren.

Erstere sind innerhalb des CTRL-FE angesiedelt und steuern mit digitalen und analogen Ausgängen verschiedene Ventile an. Grenzwert­über­schrei­tun­gen werden innerhalb des DAQ-FE auf den analogen und digitalen Eingangskanälen überwacht sowie innerhalb des CTRL-FE für den speziellen Fall der schnellen Überwachung und Reaktion innerhalb von 5 ms z.B. auf ungewöhnlich hohe Vibrationen bzw. Beschleunigungen innerhalb des Prüf­lings oder wichtiger Prüfstandskomponenten.

Grenzwertüberwachung (Redline Detection)

Um einen sicheren Betrieb des Prüfstands zu gewährleisten, ist es erforderlich, beliebige Messstellen (analog und digital) auf das Überschreiten von definierbaren Grenzwertbedingungen überwachen zu können. Dabei sind zwei Klassen von Grenzwertverletzungen zu berücksichtigen:

• Reaktion innerhalb von 40 ms (Medium/Slow-Redline),
• Reaktion innerhalb von 5 ms (Fast-Redline).

Bei letzteren handelt es sich wesentlich um Signale von Beschleunigungsaufnehmern. Hier gilt es frühzeitig resonante Schwingungen des Prüflings zu erkennen und den Versuch zu beenden, bevor Schäden auftreten können. Bei ersteren werden beliebige Signale überwacht. Die Definition dieser sog. Redlines erfolgt über grafische Dialoge, die die zu überwachenden Kanäle auswählen, ggf. mehrere Kanäle zu einer Grenzwertbedingung (Majoritätslogik) verknüpfen und die Reaktion des MCC-Systems auf solch ein Ereignis definieren. Die folgende Grafik zeigt z.B. Dialoge, mit deren Hilfe die entsprechenden Redlines definiert werden können:

Medium/Slow-Reacting-Redlines werden mit einer Reaktionszeit von 40 ms bzw. 100 ms detektiert, d.h. innerhalb dieser Zeit muss die entsprechende Reaktion des Systems eingeleitet worden sein. Diese Reaktion kann in einer einfachen Information des Anwenders bestehen, wird jedoch in den meisten Fällen zu einem kontrollierten Beenden des Versuchs durch eine Abschaltsequenz führen. Die Auswertung der definierten Grenzwertbedingungen erfolgt dabei für die Medium/Slow-Redlines durch einen entsprechenden Prozess im DAQ-FE unter LabVIEW-RT. Dieser extrahiert die definierten Kanäle aus dem Rohdatenstrom, wandelt sie in entsprechende physikalische Werte um und bewertet die Grenzwertbedingungen. Wird eine Bedingung gültig, wird ein entsprechendes Triggersignal an den Sequenzgenerator geschickt. Dies geschieht über den Shared Memory des Sequenzgenerator-FPGA-Moduls. Zusammen mit dem Triggersignal wird dem Sequenzgenerator auch die Information übermittelt, welche Abschaltsequenz auszuführen ist.

Einen Sonderfall stellen die Fast-Reacting-Redlines (Fast-Redlines) dar. Sie müssen mit einer Reaktionszeit von 5 ms detektiert werden. Um diese realisieren zu können, müssen die entsprechenden Funktionen unter Umgehung von Betriebssystemen und klassischen CPUs implementiert werden. Deshalb wird das FPGA-Modul PXI-7833R eingesetzt, da so diese Funktionalität direkt in „Hardware“ umgesetzt werden kann. Der Datenaustausch erfolgt ähnlich dem Datenaustausch bei den Medium/Slow-Redlines, jedoch wird hierfür der sog. Local-Bus der FPGA-Module genutzt. Dieser erlaubt eine direkte Verbindung von FPGA-Modulen für einen schnellen Datenaustausch untereinander und wird genutzt, um hier die Reaktion des MCC-Systems in einem Zeitintervall deutlich unter 5 ms sicherzustellen. Bei den Fast-Redlines ist die Reaktion auf Parameter beschränkt, die gesondert auf die Eingänge des FPGA-Moduls aufgelegt worden sind.

Sequenzerzeugung

Eine wesentliche Funktion zur Steuerung des gesamten Prüfstands ist die Erzeugung von Schaltsequenzen für die verschiedenen Ventile des Prüfstands. Über diese Ventile werden sämtliche am Prüfstand verwendete Fluide kontrolliert. Ferner müssen während eines Versuchsablaufs einige Parameter (Massenströme, Tankdrücke, ...) auf sich verändernde Sollwerte geregelt werden. Hierzu werden neben schnell schaltenden Magnetventilen auch entsprechende Regelventile mit analoger Ansteuerung eingesetzt. Ein wichtiger Punkt bei der Erzeugung der Schaltsequenzen ist, dass neben den nominalen Sequenzen für die verschiedenen Versuchsstadien auch eine Anzahl von Abschaltsequenzen generiert werden können. Diese werden aus­gelöst, wenn die Grenzwertüberwachung des Prüfstands die Verletzung einer Grenzwertbedingung detektiert hat. Der Übergang vom nominalen zum Abschaltbetrieb muss dabei in Zeiträumen von wenigen Millisekunden und vor allem vollkommen störungsfrei sein, d.h. der Übergang muss stetig erfolgen. Welche Abschaltsequenz dabei zum Einsatz kommt, hängt von der Art der Bereichsverletzung ab und ist vorher festgelegt.

Definieren von Sequenzen

Sequenzen (nominale und Abschaltsequenzen) werden vom Anwender mit einem grafischen Dialog definiert. Hier werden Signalpegel und Zeitpunkt des Zustandsübergangs, bezogen auf den Triggerzeitpunkt t₀, definiert. Für analoge Signale können ferner auch der Gradient sowie der Zielwert definiert werden, mit welchem die Signaländerung stattfindet.

In Abb. 3 sehen Sie beispielhafte Dialoge:

Bei der Definition der Sequenzen können die Abschaltsequenzen mit Namen versehen werden. Diese lassen sich dann von der Grenzwertüberwachung explizit aufrufen.

Generierung der Sequenzsignale

Für die Erzeugung der analogen Sequenzsignale werden PXI-Karten vom Typ PXI-6704, für die nominalen digitalen Signale-Karten des Typs PXI-6534 eingesetzt. Speziell für die Erzeugung der Abschaltsequenzen sind die digitalen Signale von Bedeutung, da über diese die Ventile angesteuert werden.

Um einen stetigen Übergang von der nominalen Sequenz zur selektierten Abschaltsequenz zu erreichen, werden die digitalen Signale über ein FPGA-Modul (PXI-7813R) geführt. Die folgende Grafik zeigt schematisch die Struktur des Sequenzgenerators.

Der Vorteil eines FPGA liegt darin, dass die Logik und Funktion direkt in die Hardware programmiert werden. Weder CPU noch Betriebssysteme sind dort im Einsatz, so dass die Funktion sichergestellt werden kann, solange der FPGA mit Spannung versorgt wird.

Die FPGA-Karte routet die Signale der PXI-6534 im Normalfall direkt auf ihre digitalen Ausgänge durch. Wird eine Redline ausgelöst bzw. ein entsprechendes Ereignis durch den Abbruch innerhalb der MCC-Software
oder einen „Notaus“-Schalter generiert, wird diese Information an den Sequenzgenerator übermittelt. Das Modul erhält dazu die Information, welche Abschaltsequenz ausgegeben werden soll. In diesem Fall friert die Karte den aktuellen Zustand der DO-Signale ein und gibt die Signale gemäß der Abschaltsequenz auf den digitalen Ausgängen aus. So wird sichergestellt, dass es nicht zu unbeabsichtigten Zustandsänderungen auf den digitalen Ausgängen kommt und ein Signal erst zum gewünschten Zeitpunkt geändert wird.

Für die Umsetzung der notwendigen Funktionalitäten wurde die Basisfunktionalität in den FPGA programmiert. Diese umfasst Basisfunktionalität im Wesentlichen:

• Routen der Digital-Eingänge auf Digital-Ausgänge,
• Auswerten von Grenzwert-Triggern,
• Erzeugen von Signalmustern auf den Digital-Ausgängen.

Um die notwendige Flexibilität zu erreichen, werden die Signalmuster für die Abschaltsequenzen in Form einer Signalbeschreibung im Shared Memory des FPGA-Moduls bereitgestellt. Dies geschieht im Zuge der Initialisierung des Prüfstands bei der Vorbereitung eines Versuchslaufs. Für Medium- und Slow-Redlines erfolgt der Datenaustausch programmatisch, für die „Fast-Redlines“ geschieht dies über den „Local-Bus“ zwischen dem Se­quenz­generator und dem benachbarten Fast Redline-Detektor.

Ein wichtiger Punkt für die Wahl des FPGA-Moduls war, dass ein FPGA ohne Betriebssystem und CPU auskommt und die Ausführung der Funktion direkt, ohne potentielle Verzögerungen durch Betriebssystem und Task­wechsel in der Hardware ausgeführt wird. Ein weiterer wichtiger Punkt war, dass die Programmierung des FPGA mit LabVIEW erfolgen konnte und sich somit harmonisch in die Entwicklung des Gesamtprojektes inte­grie­ren ließ.

Zusammenfassung

Es wurde im vorliegenden Beitrag vorgestellt, wie mit Hilfe von FPGA-Modulen kritische Funktionen innerhalb eines Prüfstandsleitsystems realisiert werden konnten. Es wurde beschrieben, wie die Programmierung von Funktionen innerhalb eines FPGA mittels LabVIEW es ermöglicht, schnelle und sicherheitsrelevante Funktionalitäten in „Hardware“ zu implementieren und trotzdem eine weitgehende Flexibilität duch Parametrierung zur Laufzeit zu erreichen. Beispielhaft wurde ein parametrierbarer Sequenzgenerator vorgestellt, der es erlaubt, die Ausgabe von Signalmustern jederzeit zu unterbrechen und übergangslos und stetig in die Ausgabe von spezifischen Signalmustern zur Ansteuerung von Magnetventilen zu verzweigen. Die Beschreibung dieser Signalmuster wiederum kann vom Anwender vorgenommen werden und die Auswahl des Signalmusters kann abhängig von parametrierbaren Bedingungen erfolgen.

 

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