Nuovo sistema di diagnostica remota stand alone per grandezze elettriche a transitori veloci

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"L’architettura propria dell'hardware cRIO permette di interfacciare agevolmente il software sviluppato sul sistema real-time con quello ad alta velocità che risiede sull'FPGA integrato, dedicato all'acquisizione"

- A. Lugli, SITEM

The Challenge:
Con la presente applicazione si è voluto realizzare un sistema integrato hardware e software di diagnostica remota destinato a fornire un importante ausilio, sia per il tecnico specializzato che per l’operatore di sala controllo. Il progetto si colloca nell’ambito dei contratti LTSA (Long Term Service Agreement), contratti mediante i quali, assieme alla macchina (alternatore/turbina) i clienti (EniPower, Iride, Erg…) richiedono al fornitore garanzie sulla loro availability mediante un monitoraggio continuo sintetizzato in un’emissione periodica di technical reports. Con questo nuovo strumento la diagnostica viene gestita su due livelli: un primo livello tale da consentire un’ overview sugli andamenti delle grandezze di interesse, siano esse acquisite che calcolate (diagnostica real time) ed un secondo livello che consenta di investigare in modo approfondito su eventuali anomalie occorse (diagnostica su evento).

The Solution:
La soluzione adottata ha previsto l’impiego di un sistema di monitoraggio real-time basato sulla piattaforma CompactRIO di National Instruments in grado pertanto di effettuare in modo sicuro una acquisizione real-time dei dati ed un post-processing degli stessi in modo estremamente efficace e flessibile.

Author(s):
A. Lugli - SITEM
A. Carpano - ANSALDO ENERGIA

Articolo
Lo scopo del sistema è quello di gestire due possibili configurazioni di acquisitori cRIO:
- l’acquisizione di un massimo di 12 canali analogici (3 moduli cRIO-9229) e di 24 canali digitali (3 moduli cRIO-9421)
- l’acquisizione di un massimo di 12 canali analogici (3 moduli cRIO-9229) e di 32 canali digitali (4 moduli cRIO-9421)
implementando, in entrambi casi, un monitoraggio di eventi su trigger e real-time, gestibile anche da un PC di gestione remota. Pertanto, sono stati realizzati tre programmi:
1. Programma di acquisizione dati su cRIO (SW-ACQ)
2. Programma di interfaccia locale (SW-LOC)
3. Programma di gestione remota (SW-REM)
Segue una breve descrizione dei tre programmi.

Programma di acquisizione dati su CompactRIO

Il programma, realizzato in ambiente LabVIEW FPGA, gestisce il sistema di acquisizione dati cRIO. Secondo impostazioni dell’Operatore effettuate sul programma SW-LOC (vedi oltre) eseguito sul Personal Computer Locale (PCL) connesso al sistema cRIO tramite rete Ethernet con protocollo TCP/IP, il programma è in grado di acquisire i canali previsti nella configurazione scelta. Essi sono acquisiti ad una frequenza di campionamento e risoluzione (16 bit) comune a tutti i segnali (una frequenza comune per tutti i canali analogici ed una frequenza comune per tutti i canali digitali) secondo due modalità in esecuzione parallela sul FPGA:
1. su evento
2. in continuo (real-time)
Il processo di acquisizione su evento sarà in grado di acquisire i canali, analogici e digitali, al verificarsi di uno specifico evento di trigger, che sarà definibile in SW-LOC come
- superamento di un livello predefinito di un segnale analogico
- variazione dello stato di un segnale digitale
- verificarsi contemporaneo di entrambe condizioni di sopra
Al verificarsi dell’evento, il programma acquisisce e salva i dati caduti in un tempo t, impostabile da SW-LOC (tipicamente 15 s), comprensivo di un intervallo tp di pre-trigger.
Il programma SW-ACQ è comunque in grado di acquisire i dati per lo stesso intervallo t, anche su richiesta asincrona (indipendentemente dal verificarsi o meno delle condizioni di trigger impostate) da parte dell’operatore, tramite opportuno comando inviato da SW-LOC.
Il programma SW-ACQ prevede il salvataggio automatico dei dati acquisiti in file binari, che contengono anche la data ed ora in cui si è verificato l’evento di trigger. Tali file sono salvati localmente sulla memoria del sistema cRIO e poi copiati dal SW-LOC in una opportuna cartella del PC Locale.
Il processo di acquisizione in continuo prevede una acquisizione per un tempo tc (impostabile da SW-LOC), passato il quale il processo si ferma per un tempo T (impostabile anch’esso da SW-LOC). Passato il tempo T, l’acquisizione riprende per tc e cosi' via. Il programma salva localmente i dati acquisiti nel tempo t in un opportuno "buffer" di memoria locale, accessibile anche da locale e remoto tramite il software SW-LOC e SWREM. Il “buffer” è a riscrittura circolare, ossia con la perdita dei vecchi dati alla scrittura dei nuovi.
Inoltre, parallelamente all’ acquisizione, il SW-ACQ calcola il valore medio delle varie grandezze calcolate durante le finestre temporali di acquisizione lunghe t. Il programma salverà tutti i valori medi in un secondo "buffer" di memoria, accessibile anche da locale e remoto tramite il software SW-LOC e SW-REM.
Infine, il programma rende disponibilità i dati acquisiti via OPC Server.

Il programma di acquisizione dati locale a sua volta consiste principalmente in due parti:
1. la prima residente sull’FPGA (Field Programmable Gate Arrays) integrato nello chassis del sistema cRIO (Reconfigurable I/O) (denominato di seguito SW1);
2. la seconda residente nel controllore cRIO 9014 (denominato di seguito SW2)
Per quanto concerne il SW1, le principali funzioni implementate sono le seguenti:
- acquisizione dei segnali grezzi dal campo
- creazione di una coda DMA (Direct Memory Access) ad alta velocità (tipicamente a 10 kHz)
- creazione di una coda DMA (Direct Memory Access) a bassa velocità (tipicamente a 3,3 kHz)
- gestione code DMA (inserimento dati)
- definizione della condizione di trigger
- monitoraggio dell’evento di trigger
Per quanto concerne il SW2, le principali funzioni implementate sono le seguenti:
- gestione coda DMA veloce, prelievo dati (svuotamento coda)
- gestione coda DMA lenta, prelievo dati (svuotamento coda)
- calcoli di alcune grandezze elettriche derivate (Is, Id, Iq, Vd, Vq, Vo, Io, Po, P) con refresh ogni sec.
- salvataggio automatico area di memoria contenente i campioni a cavallo dell’evento di trigger
- possibilità di salvataggio dei dati presenti nella coda DMA lenta
- comunicazione con l’Operatore (interfaccia utente)
La particolare, l’architettura propria dell'hardware cRIO permette di interfacciare agevolmente il software sviluppato sul sistema real-time con quello ad alta velocità che risiede sull'FPGA integrato, dedicato all'acquisizione.

Programma di interfaccia locale
Il programma è stato realizzato in ambiente LabVIEW DSC (versione 8.5 o superiore) di National Instruments. Tale programma viene eseguito su una unità esterna con funzioni di interfaccia operatore al sistema cRIO, ossia su un Personal Computer Locale, con sistema operativo Windows XP/2000. Il collegamento tra il PCL e l’hardware di acquisizione sarà effettuato mediante rete Ethernet con protocollo TCP/IP.
Il programma è in grado di:
- comunicare con il sistema cRIO per
- impostare i parametri di acquisizione ed elaborazione dei dati su SW-ACQ
o leggere i dati “grezzi” acquisiti dal programma SW-ACQ
o mostrare gli andamenti in funzione del tempo dei dati istantanei acquisiti
- mostrare gli andamenti in funzione del tempo dei valori medi acquisiti
- memorizzare localmente il file dei dati generato da SW-ACQ
- comunicare (con opportune logiche di autenticazione) con il programma di gestione remoto SW-REM (vedi oltre) per consentire di
o impostare i parametri di acquisizione ed elaborazione dei dati su SW-ACQ;
o scaricare sul PC remoto i file dei dati.

Programma di gestione remota
Il programma, realizzato in ambiente LabVIEW, è eseguito su un Personal Computer remoto, connesso al PCL tramite Internet via TCP/IP. Il programma gestisce un accesso programmato e temporizzato ai vari sistemi dislocati sugli impianti al fine di aggiornare la base dati relativa ad ogni sistema.
Il programma presenta un Pannello (accessibile mediante autenticazione con password) che consente di definire
- l’anagrafica dei sistemi remoti. I dati dei sistemi sono archiviati in un file MS Excel con funzioni di “database dei sistemi”.
- i sistemi verso i quali effettua una connessione periodica (attivazione / disattivazione mediante controllo tipo check-box)
- la cadenza con la quale effettuare tale connessione (da un menù a tendina con le voci ora / 12 ore / giorno)
- i minuti primi dell’ora ai quali il programma si deve connettere al primo sistema (per esempio ai minuti 12 di ogni ora)
- il ritardo tra un sistema ed il successivo (tramite controllo numerico)
- il numero di tentativi cui ripetere la connessione in caso di fallimento della copia dei dati.
Il programma salva i file dei dati copiati dai sistemi remoti in altrettante cartelle, suddivise internamente in sotto-cartelle di anno e poi ancora mese. Il programma inoltre consente la visualizzazione delle curve di andamento
- dei dati istantanei, residenti nel relativo “buffer” di memoria locale del cRIO
- se implementato, dell’insieme dei dati istantanei contenuti nel file generato da SW-ACQ contenente non solo gli ultimi tc dati, ma anche tutta la storia dei vari intervalli (un continuo di intervalli lunghi tc secondi con di “buchi” temporali lunghi T secondi).
- dei valori medi, residenti nel relativo “buffer” di memoria locale del cRIO
Infine, Il programma SW-REM è corredato di una utilità per la visualizzazione dei dati scaricati che consente, tramite un’apposita interfaccia, di esportare in formato ASCII (CSV e/o importabili direttamente in MS Excel) i dati relativi ad un periodo di tempo desiderato.

Author Information:
A. Lugli
SITEM
alessandro.lugli@sitemnet.it

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