Probar sistemas de propulsión de cohetes con NI VeriStand

Arquitectura

Hay tres componentes clave de un sistema de software de pruebas basado en VeriStand: 

• El motor VeriStand que procesa datos y accede a canales de E/S de hardware en un controlador Linux en tiempo real en las plataformas NI CompactRIO o PXI
  
• El gateway VeriStand que actúa como un punto de acceso central para todos los datos en el sistema y generalmente se ejecuta en la PC del operador
  
• La interfaz de usuario de VeriStand que se ejecuta en la PC del operador

^{Figura 1: Componentes clave de un sistema VeriStand}

Una característica notable de VeriStand es que puede adaptarse fácilmente a la expansión para múltiples usuarios y múltiples plataformas de hardware en tiempo real, como se ve en la Figura 2.

^{Figura 2: Sistema VeriStand distribuido con múltiples controladores y estaciones de operador de usuario}

Explorador del sistema y archivo de definición del sistema

La funcionalidad de bajo nivel del motor VeriStand está determinada por el archivo de definición del sistema (SDF). Este archivo se implementa en los controladores en tiempo real al inicio de la operación del sistema.

El SDF, que se configura utilizando el VeriStand System Explorer, describe funciones como alarmas y procedimientos automáticos simples, desde los cuales se pueden implementar respuestas más complejas como monitoreo de línea roja. El SDF también define otras funciones, como procesamiento de datos (por ejemplo, filtrado de paso bajo) y registro de datos. El mapeo entre canales también se establece en el SDF.

^{Figura 3: Ventana del proyecto VeriStand (izquierda) y ventana del explorador del sistema (derecha)}

Secuencias en tiempo real

Las secuencias en tiempo real son una capa adicional de lógica que define el comportamiento del sistema al probar un sistema de propulsión o cualquier otra unidad bajo prueba (UUT). En el caso de las pruebas de propulsión, una secuencia en tiempo real definiría la lógica para iniciar, ejecutar y apagar el sistema de propulsión. La secuencia en tiempo real también puede incluir lógica de cancelación para definir la respuesta del sistema a condiciones fuera de lo nominal.

^{Figura 4: Se puede agregar lógica del sistema adicional usando secuencias en tiempo real}

Las secuencias en tiempo real se crean y lanzan desde el Stimulus Profile Editor.

^{Figura 5: El Stimulus Profile Editor se utiliza para crear y lanzar secuencias en tiempo real}

API de NI LabVIEW

VeriStand incluye una API de LabVIEW que se puede usar para ampliar enormemente las capacidades de un sistema de pruebas. Cuando VeriStand se instala en una plataforma de desarrollador, se agrega un conjunto de VIs a la paleta de herramientas de LabVIEW que brindan acceso a esta API. Los VIs para leer y escribir canales VeriStand se incluyen en la API.

Esta API es útil para desarrollar VIs de LabVIEW con características que no están presentes o son difíciles de implementar en VeriStand, como leer y escribir datos del archivo de configuración y controlar las propiedades de los elementos de la IU.

^{Figura 6: API de LabVIEW para VeriStand en la Paleta de Herramientas}

Figura 7: VIs para leer y escribir canales VeriStand en LabVIEW

Pruebas de propulsión usando VeriStand

Pruebas de Air Turbo Rocket (ATRX)

ATRX, Inc. de Huntsville, Alabama, está desarrollando un sistema de propulsión único conocido como Air Turbo Rocket que combina tecnologías de motor de cohete y motor a reacción. VeriStand se utiliza para controlar de forma remota el banco de pruebas en todas las fases de una prueba de motor. Las fases son la operación previa a la prueba cuando el motor está preparado para encender, durante la prueba de fuego caliente cuando se usa para el control automático del motor (Figura 8a) y finalmente durante la operación posterior a la prueba para asegurar el motor y el banco de pruebas. El control automático de pruebas se implementa utilizando una combinación de alarmas, procedimientos y secuencias en tiempo real de VeriStand .

La interfaz de usuario de ATR (Figura 8b) consta de tres pantallas. Una pantalla incluye un diagrama P&ID que representa la red de flujo del soporte. Los controles booleanos superpuestos en el P&ID permiten al usuario alternar las válvulas y controlar otros dispositivos en el soporte. Los controles numéricos en el P&ID muestran datos clave de instrumentación, como presiones y temperaturas. Esta pantalla también se utiliza para iniciar secuencias de prueba en tiempo real y cuenta con un bloqueo de software para la función del secuenciador.

Una segunda pantalla se utiliza para configurar los parámetros de la prueba de fuego caliente y una tercera pantalla muestra los datos de la instrumentación en tiempo real.

Un controlador CompactRIO cRIO-9030 y cuatro módulos de E/S cRIO son el núcleo del hardware del sistema de adquisición de datos para este banco de pruebas.

a) Prueba de fuego caliente de Air Turbo Rocket	b) Consola del operador

^{Figura 8: Pruebas de Air Turbo Rocket usando VeriStand}

Banco pequeño de pruebas de propulsor

Como ejemplo de la productividad que se puede lograr con VeriStand, una compañía comercial de NewSpace encargó recientemente a ATRX que desarrollara un banco de pruebas listo para probar pequeños propulsores. Aunque este propulsor y el sistema de alimentación de propulsor de este banco eran bastante diferentes del sistema Air Turbo Rocket, al modificar el software del banco de pruebas ATR existente, el software para este banco de pruebas del propulsor solo requirió unas dos semanas para desarrollarse. Una característica de este sistema que ilustra el uso de la API de LabVIEW es una ventana de control de secuencia automática basada en LabVIEW (Figura 9). Esta ventana proporciona un bloqueo de software que desactiva el botón de INICIO de secuencia automática de disparo hasta que el operador ingrese un código PIN único. 

La capacidad de expansión y la facilidad de uso de VeriStand fueron evidentes cuando nuestro cliente comenzó a usar el sistema. En cuestión de días, estaban al día en el uso del sistema y en la modificación de la interfaz de usuario para satisfacer sus necesidades. También pudieron modificar los requisitos de la prueba de secuencia de fuego caliente en tiempo real con poco soporte de ATRX.

^{Figura 9: Interbloqueo de software implementado en LabVIEW}

Otros sistemas

Bergmans Mechatronics, LLC (BML), una compañía hermana de ATRX y partner de NI, ha utilizado VeriStand para numerosos sistemas de pruebas de propulsión adicionales. Un proyecto BML notable fue desarrollar dos sistemas modulares de control y adquisición de datos (M-DACS) de montaje en rack para pruebas de propulsión (Figura 10) para un cliente de NewSpace. Ambos sistemas contaban con hardware CompactRIO y VeriStand.

Al igual que con el banco de pruebas del pequeño propulsor ATRX, el cliente de BML se familiarizó rápidamente con VeriStand y requirió muy poco soporte para operar y modificar estos sistemas.

^{Figura 10: Sistema modular de control y adquisición de datos (M-DACS)}