以 NI CompactRIO測試高動態燃料電池

作者:
Dr. Guenter Randolf - GRandalytics

行業:
能源/電力, AET/儀器

產品:
數據記錄與監控模塊, CompactRIO, LabVIEW, FPGA模塊, 實時模塊

挑戰:
設計全新的燃料電池測試系統，其速度必須高于常見的市售系統，擁有 24/7作業安全性，不需依賴 Windows 操作系統的計算機，可獨立于多臺計算機之間接收、傳送數據，可平行執行多項仿真與指令碼，甚至可于不同機器中執行作業。

解決方案:
以 NI CompactRIO 硬件架構出的控制系統，要能透過 NI LabVIEW Real-Time Module 控制整座測試工作站，可于 FPGA 層級驗證量測并處理警示情況，透過 UDP 進行獨立通訊，以 GUI 溝通仿真器，可立刻運用插入式模塊，并以功能強大的 GUI 輕松執行作業。

由于環保意識高漲，多種應用對燃料電池的需求亦與日遽增；包含從固定式系統、汽車應用，乃至于行動電話，均不離開此范疇。從過去的歷史來看，工程師設計燃料電池的著眼點，為適用于長期且穩定的測試，且必須能夠進行簡易的效能評估。然而，交通運輸應用的燃料電池必須能夠快速進行反應，測試系統也因此必須可進行周期仿真與瞬時分析。因此，新系統除了要能進行簡易量測之外，亦要能進行高動態測試、硬件回路 (HIL) 模擬、獨立式平臺的通訊作業，還要能進一步擴充。我們利用頂尖科技 (包含 FPGA 與 LabVIEW Real-Time Module)，于極短的時間內設計并建立安全且高穩定的系統，并更達到極高的系統效能。

系統概述

一如常見的工作站，此系統主體為圖形化使用者接口 (GUI) 與仿真系統，并搭配不同的操作系統與軟件；而軟件可調整的平行多重數據 I/O 節點，則為我們系統所專有。我們必須以不同的工具 (如MathWorks, Inc. , Simulink® 軟件) 撰寫多個軟件模型重的軟件模塊，且必須平行處理多組指令碼 (如圖 2 所示，我們使用 Simulink)。因此，使用者數據流協議 (User datagram protocol，UDP) 成為我們愛用的通訊方式。許多應用即以 UDP 為中心架構，且不需額外的硬件。多組已注冊的計算機可將設定點傳送至控制器，且所有數值均將保留，直到被其它傳送器覆寫。在回傳的過程中，系統將從控制器傳送量測結果至已完成注冊的計算機。

CompactRIO – 自動化的大腦

不同于傳統以計算機控制的測試工作站，此系統完全是由 CompactRIO 實時控制器所操作，可確保整體精確度；因此系統本身即擁有安全性與穩定性。FPGA 為系統的關鍵組件，代表安全性的第一道關卡。所有的量測數據將通過 FPGA，并接受第一次的檢驗作業。系統將于極短時間內對警示做出反應，避免對復雜的高階應用造成影響。

透過 DMA 與相關調整作業，系統即可將數據傳送至控制器，并以虛擬通道與UDP 所接收的設定點，進而整合相關信息。并將 1 組動態產生、開放式來源碼的插入式 VI，作為功能性的核心 (Kernel)，以容納所有特殊測試標準的作業。工程師將此核心嵌入至一般外殼中，進行數據輸出、輸入、調整、警示、安全等功能。我們將檢查達到 3 級靜態與 2 級動態的警示事件；并將后者與其它通道進行交叉比對。系統接著將結果回傳至 FPGA，并透過 UDP 傳送至外部節點。

傳送數據將占用大量的處理器資源；因此，我們藉由延遲控制 (Deadband control) 與傳輸管理作業，以最小化信道數量。延遲與傳輸作業的優先性，僅為每個信道 40 組屬性之其中 2 組；另外還有 5 級警示、回轉率 (Slew rate)、與同步化 ID，均為信道屬性。系統于啟動過程中，將從受保護檔案中匯入所有屬性，再透過第二組 UDP 通訊端口以迅速進行變更。我們保留第三組 UDP 通訊端口進行參數交換，如受限信息、校準數據，或子系統的重新初始化作業。

由于我們的系統可平行處理大量回路，因此在設計實時程序代碼時，將大量采用LabVIEW 數據流的程序設計技術與平行機制。因此，我們可依多種周期次數建立頻率回路的架構，并以大型或精巧的程序代碼，達到異步化的事件觸發架構。

XControl Power 的功能面

設計的相關經驗，與使用多組測試工作站，均將影響 GUI 的開發作業。因為控制器已經負責安全性與核心功能，我們可將注意力集中于簡單易用、直覺性，且可擴充的終端操作。獨立回路可處理外圍作業 (如傳輸數據，或將之儲存于 Citadel 數據庫)，構成不需額外處理的作業架構。具有 LabVIEW 使用經驗的客戶，將不需接觸后端的處理程序，即可存取來源程序代碼，進而建置自己所需的功能。

新的 LabVIEW XControls 可讓我們將多項功能整合至控制器中。在交互式的管線儀表圖 (Piping and Instrumentation Diagram，P&ID) 中，單一 XControl 即可建構所有的客制控制作業。控制作業將遵循 DIN 標準，且其外表將根據其實體屬性而有所變化。我們并可根據不同的實體單位，針對控制作業進行同步化、擷取，與調整，當然亦可顯示警告狀態。

管線顏色將根據傳輸媒體的不同而變化 (如黃色代表氫，黑色代表氮)，以立刻粗略了解相關狀態。透過「Run-time」菜單，我們可動態呼叫插入式 VI，以新增特別功能，如計數器或定時器、指令碼產生 (Scripting)，或特殊量測。對菜單按下鼠標右鍵，則將顯示控制屬性，并開啟可設定卷標屬性的工具。

CompactRIO 的尖端技術可簡化開發過程，以完成全新且實時的燃料電池測試工作站。我們設計出完整且高傳輸率的數據接口，可介接所有虛擬的計算機平臺與軟件。

針對現有最新的燃料電池測試器，我們將電子負載 (Electronic load) 的反應時間從 800 ms 縮短為 50 ms；此實為動態燃料電池測試技術的重大突破。而系統效能亦不容小覷，可達多重安全層級與輕松進行兼容的軟件。由于所有安全相關的子系統均經過加密且無法開放，因此我們的系統可針對 GUI，將開放式原始碼或實時插入式 VI 提供予使用者。在眾多競爭者中，此功能更顯其高價值且專屬的特性。

雖然測試工作站可搭配 RS232 而提供 176 個模擬與數字 I/O 信道，并以序列外圍接口 (SPI) 溝通附加的儀器，我們仍簡化整體架構的設定作業。我們以可調整的硬件架構為基礎，搭配FPGA、I/O 模塊，與彈性的軟件，達到此革命性的概念，并具有極高的擴充與再使用價值性。此套設定，可簡化整個測試工作站的開發作業，亦可輕松更新現有系統，以獲得極高的經濟效益。