Netzschaltmodul, Priority Unit, Emergency Stop System und Teil des Manual Switching Panels

Die CompactRIOTM Plattform

Das CompactRIO-System von National Instruments verbindet Echtzeit- mit FPGA-Technologien und bietet in einem kompakten Gehäuse höchste Leistungsfähigkeit für Prüf- und Automatisierungsaufgaben. Die Architektur umfasst einen rekonfigurierbaren I/O-FPGA-Kern, der die Zuverlässigkeit einer dedizierten Hardwareschaltung und die Leistungsfähigkeit einer parallelen Programmabarbeitung auf dem Chip in sich vereint.

Darüber hinaus steht ein Embedded-Echtzeitprozessor für den deterministischen verteilten und den Stand-alone-Betrieb mit einer integrierten Mensch-Maschine-Schnittstelle zur Verfügung. Die Programmierung erfolgt mit LabVIEW.

Green Propellant Prüfstand

Der Green Propellant Prüfstand beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Lampoldshausen erlaubt Tests von Raketenantriebe mit speziellen Treibstoffen und Treibstoffkombinationen, z.B. für Ariane 5. Green Propellants sind spezielle flüssige, umfweltfreundliche und ungiftige Treibstoffe. Der Prüfstand erlaubt Tests von Raketenbrennkammern unter realistischen Betriebsbedingungen: Drücken von bis zu 6 MPa und Gastemperaturen von bis zu 3000°. Erforscht wird hier vor allem die Nutzung von flüssigem Sauerstoff (LOX) als Oxydationsmittel und Methan (LCH4), dem in Europa am favorisierten Treibstoff für neue Raketenmotoren.

Aufgabe

Der Prüfstand wird über einen Kontrollraum betrieben, in dem alle Kontroll- und Überwachungssignale zusammenlaufen. Bis zu 60 digitale Kanäle werden über einen FPGA kontrolliert, z. b. für die Treibstoffzufuhr oder zur Überwachung von Sensoren und Aktoren. Die Signale des Prüfstands werden während des Betriebs verarbeitet, visualisiert und gespeichert. PXI FPGA Controller im Kontrollzentrum (MCC) überwachen die Leistung des Prüfstands während des Betriebs und stellen sicher, dass die Sicherheitsfunktionen unter allen Bedingungen einsatzbereit sind.

Im Falle eines Fehlers des aktuellen Kontrollsystems stehen zwei zusätzliche unabhängige Subsysteme zur Verfügung, die die Sicherheit gewährleisten: Das Emergency Stop System überführt den Prüstand in einen sicheren Zustand, die Priority Unit überwacht die Prüfstandssignale des Kontrollsystems. Für diese Systeme ist ein Echtzeitsystem erforderlich, das das programmatische Herunterfahren des Prüfstands in Abhängigkeit vom aktuellen Status garantiert. Die entsprechenden Sequenzen können bei Bedarf durch den Kunden selbst programmiert werden.

Lösung

Die Kontroll- und Messelektronik ist in fünf 19" Racks mit unabhängigen redundanten Stromversorgungen eingebaut. Die Kontroll- und Überwachungsfunktionen sind in zwei der fünf Racks integriert und bestehen aus vier Komponenten, drei Konntrollelementen und einer intelligenten Umschalteinheit:

  • Das Measurement and Control Center (MCC) wurde von unserem Partner Werum Software and Systems AG umgesetzt und basiert auf Mess- und Steuerungshardware auf PXI-Basis.
  • Das Manual Switching Panel (MSP) erlaubt die unmittelbare manuelle Kontrolle des Prüfstandes.
  • Das NI CompactRIOTM basierte Emergency Stop System (ESS) garantiert die direkte Kontrolle des Prüfstandes in jeder Situation, auch im Falle des Ausfalls der Steuerung oder der Watchdogsignale.
  • Die CompactRIO basierte Priority Unit (PU) entscheidet, welches System aktuell die Kontrolle über den Prüfstand hat und ist für das Routing der Kontrollsignale zwischen den Kontrollsystemen - manuell, PC oder Emergency Stop - zuständig.

Der Einsatz von CompactRIO RealTime Technologie ermöglicht die Steuerung und Überwachung des Prüfstands in allen Situationen ohne CPU-Einfluss. Die Kontrolle der sicherheitskritischen Funktionen per FPGA ermöglicht ein stabiles sicheres System, das den Anforderungen eines Raketenprüfstandes genügt. LabIEW FPGA erlaubt die schnelle und einfache Programmierung des Systems für wechselnde Anforderungen durch den Anwender selbst.

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