Testen von Raketentriebwerkssystemen mit NI VeriStand
John Bergmans, Mitbegründer und President von ATRX, Inc.
Schwerpunkte der Fallstudie
- VeriStand ermöglichte es ATRX, Triebwerkstests effizient zu steuern und Testphasen, die vom Vortest- bis zum Nachtestbetrieb reichen, mit Echtzeitsequenzen und Alarmen zu automatisieren.
ATRX hat in nur zwei Wochen seine bestehende Software für einen neuen kleinen Triebwerksteststand angepasst und damit die Anpassungsfähigkeit und die schnellen Entwicklungsfunktionen von VeriStand demonstriert.
Die benutzerfreundliche Schnittstelle von VeriStand ermöglichte es den Kunden, Testsequenzen und Benutzeroberflächen mit minimaler Unterstützung schnell zu bearbeiten und so Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit zu gewährleisten.
„Die Erweiterbarkeit und Benutzerfreundlichkeit von VeriStand haben sich gegenüber mehreren Antriebsprogrammen als wesentliche Vorteile erwiesen. Ausgereifte Testsysteme lassen sich mit VeriStand schnell entwickeln, und das intuitive Design ermöglicht es auch neuen Benutzern, innerhalb weniger Tage auf dem neuesten Stand zu sein!"
— John Bergmans, Mitbegründer und President, ATRX, Inc.
Die Herausforderung
ATRX musste eine neuartige Triebwerkstechnologie mit einem Testsystem testen, das in der Lage war, Echtzeit-Testanwendungen zu konfigurieren und zu bedienen. Die Testlösung sollte benutzerfreundlich und in kürzester Zeit zu erlernen sein, um das Testsystem schnell fertigstellen und eine hohe Entwicklerproduktivität bei sich ändernden Testanforderungen sicherstellen zu können.
Die Lösung
VeriStand unterstützte ATRX, Inc. bei der Bewältigung technischer Herausforderungen. Die Lösung umfasst einfach zu konfigurierende Benutzeroberflächen, eine modulare Architektur für die nahtlose Integration zwischen Benutzeroberfläche, Systemkonfiguration und Testlogik sowie die Kompatibilität mit den meisten Echtzeit-Controllern von NI. Sie unterstützt auch verteilte Systeme und ermöglicht benutzerdefinierte Verbesserungen mit Hilfe von NI LabVIEW, wodurch es sich ideal für das Testen von Triebwerkssystemen eignet.
Architektur
Ein auf VeriStand basierendes Testsoftwaresystem besteht aus drei Schlüsselkomponenten:
- VeriStand-Engine zur Datenverarbeitung und für den Zugriff auf Hardware-I/O-Kanäle eines Linux-Echtzeit-Controllers auf den Plattformen NI CompactRIO oder PXI
- VeriStand-Gateway als zentraler Zugangspunkt für alle Daten im System und in der Regel zur Ausführung auf dem PC des Bedieners
- VeriStand-Benutzeroberfläche zur Ausführung auf dem PC des Bedieners
Abbildung 1: Schlüsselkomponenten eines VeriStand-Systems
Ein besonderes Merkmal von VeriStand ist, dass es sich leicht für mehrere Benutzer und mehrere Echtzeit-Hardwareplattformen erweitern lässt, wie in Abbildung 2 dargestellt (siehe Abbildung 2).
Abbildung 2: Verteiltes VeriStand-System mit mehreren Controllern und Bedienerstationen
System-Explorer und Systemdefinitionsdatei
Die Low-Level-Funktionen der VeriStand-Engine werden von der Systemdefinitionsdatei (System Definition File, SDF) bestimmt. Diese Datei wird zu Beginn des Systembetriebs auf die Echtzeit-Controller übertragen.
Die SDF, die mit Hilfe des VeriStand-System-Explorers konfiguriert wird, beschreibt Funktionen wie Alarme und einfache automatische Routinen, aus denen komplexere Reaktionen wie das Red-Line-Monitoring implementiert werden können. Die SDF definiert auch andere Funktionen wie Datenverarbeitung (z. B. Tiefpassfilterung) und Datenprotokollierung. Die Zuordnung zwischen Kanälen wird ebenfalls in der SDF festgelegt.
Abbildung 3: VeriStand-Projektfenster (links) und System-Explorer-Fenster (rechts)
Echtzeitsequenzen
Echtzeitsequenzen sind eine zusätzliche Logikschicht, die das Systemverhalten beim Testen eines Triebwerkssystems oder eines anderen Prüflings definiert. Im Falle von Triebwerkstests würde eine Echtzeitsequenz die Logik zum Starten, Ausführen und Herunterfahren des Triebwerkssystems definieren. Die Echtzeitsequenz kann auch eine Abbruchlogik enthalten, um die Systemreaktion auf vom Soll abweichende Bedingungen zu definieren.
Abbildung 4: Zusätzliche Systemlogik dank Echtzeitsequenzen
Echtzeitsequenzen werden vom Stimulus Profile Editor erstellt und gestartet.
Abbildung 5: Der Stimulus Profile Editor dient zum Erstellen und Starten von Echtzeitsequenzen
NI LabVIEW-API
VeriStand umfasst eine LabVIEW-API, mit der sich der Einsatzbereich eines Testsystems erheblich erweitern lässt. Wenn VeriStand auf einer Entwicklerplattform installiert ist, werden der Palette mit den LabVIEW-Tools verschiedene VIs hinzugefügt, die Zugriff auf diese API bieten. Die API enthält VIs zum Lesen und Schreiben von VeriStand-Kanälen.
Mit Hilfe dieser API können beispielsweise LabVIEW-VIs mit Funktionen entwickelt werden, die in VeriStand nicht vorhanden oder nur schwer zu implementieren sind, z. B. Lesen und Schreiben von Konfigurationsdaten und Steuern der Eigenschaften von Elementen der Benutzeroberfläche.
Abbildung 6: LabVIEW-API für VeriStand in der Tool-Palette
Abbildung 7: VIs zum Lesen und Schreiben von VeriStand-Kanälen in LabVIEW
Triebwerkstests mit VeriStand
Air Turbo Rocket Test (ATRX)
ATRX, Inc. aus Huntsville, Alabama, entwickelt ein einzigartiges Triebwerkssystem, das als Air Turbo Rocket bekannt ist und die Technologien von Raketentriebwerken und Strahltriebwerken kombiniert. VeriStand dient zur Fernsteuerung des Teststands in allen Phasen eines Triebwerkstests. Die Phasen sind der Vortestbetrieb, wenn das Triebwerk für die Zündung vorbereitet wird, der Heißbrandtest, wenn er für die automatische Triebwerkssteuerung verwendet wird (Abbildung 8a), und schließlich der Nachtestbetrieb, um Triebwerk und Teststand zu sichern. Die automatische Teststeuerung wird mit Hilfe einer Kombination aus VeriStand-Alarmen, -Routinen und -Echtzeitsequenzen implementiert.
Die ATR-Benutzeroberfläche (Abbildung 8b) besteht aus drei Bildschirmen. Ein Bildschirm enthält ein Rohrleitungs- und Instrumentierungsdiagramm mit dem Strömungsnetzwerk des Teststands. Boolesche Elemente, die das Rohrleitungs- und Instrumentierungsdiagramm überlagern, ermöglichen dem Benutzer, die Ventile umzuschalten und andere Geräte am Teststand zu steuern. Numerische Elemente im Rohrleitungs- und Instrumentierungsdiagramm informieren über wichtige Messdaten wie Drücke und Temperaturen. Dieser Bildschirm dient auch zum Starten von Echtzeit-Testsequenzen und verfügt über eine Softwaresperre für die Sequencer-Funktion.
Ein zweiter Bildschirm dient zur Konfiguration der Parameter von Heißbrandtests und ein dritter Bildschirm zeigt Echtzeitdaten zur Instrumentierung an.
Ein CompactRIO-cRIO-9030-Controller und vier cRIO-I/O-Module bilden den Kern der Hardware des Datenerfassungssystems für diesen Teststand.
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a) Heißbrandtest für Air Turbo Rocket |
b) Bedienkonsole |
Abbildung 8: Testen von Air Turbo Rocket mit VeriStand
Kleiner Triebwerksteststand
Beispiel für die Produktivität, die mit VeriStand erzielt werden kann: ATRX wurde kürzlich von einem kommerziellen NewSpace-Unternehmen mit der Entwicklung eines schlüsselfertigen Teststands zum Testen kleiner Triebwerke beauftragt. Obwohl sich dieses Triebwerk und das Treibstoffzufuhrsystem dieses Teststands stark vom System des Air Turbo Rocket unterschieden, konnte die Software für diesen Triebwerksteststand durch Modifikation der vorhandenen ATR-Teststandsoftware in nur etwa zwei Wochen entwickelt werden. Eine Komponente dieses Systems, die die Verwendung der LabVIEW-API veranschaulicht, ist ein eigenständiges LabVIEW-basiertes Fenster zur automatischen Ablaufsteuerung (Abbildung 9). Dieses Fenster bietet eine Softwaresperre, mit der die START-Schaltfläche für die automatische Ablaufsteuerung des Heißbrandtests deaktiviert werden kann, bis der Bediener einen eindeutigen PIN-Code eingibt.
Wie erweiterbar und benutzerfreundlich VeriStand ist, wurde deutlich, als unser Kunde begann, das System zu nutzen. Innerhalb weniger Tage war er mit dem System vertraut und konnte die Benutzeroberfläche an seine Bedürfnisse anpassen. Er war auch in der Lage, die Testanforderungen für die Echtzeit-Heißbrandsequenz mit minimaler Unterstützung von ATRX zu ändern.
Abbildung 9: In LabVIEW implementierte Softwaresperre
Andere Systeme
Bergmans Mechatronics, LLC (BML), Schwestergesellschaft von ATRX und NI-Partner, hat VeriStand für zahlreiche weitere Triebwerkstestsysteme verwendet. Ein bemerkenswertes Projekt von BML war die Entwicklung zweier modularer Datenerfassungs- und Steuerungssysteme (M-DACS) für Triebwerkstests (Abbildung 10) eines NewSpace-Kunden. Beide Systeme arbeiten mit VeriStand und CompactRIO-Hardware.
Ähnlich wie beim kleinen Triebwerksteststand von ATRX machte sich der Kunde von BML schnell mit VeriStand vertraut und benötigte nur wenig Unterstützung, um diese Systeme zu bedienen und zu modifizieren.
Abbildung 10: Modulares Datenerfassungs- und Steuerungssystem (M-DACS)