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係統，其速度必須高於常見的市售係統，擁有 24/7作業安全性
，不需依賴 Windows 操作係統的計算機，可獨立於多台計算機之間接收、傳送數據，可平行執行多項仿真與指令碼
，甚至可於不同機器中執行作業。

解決方案:
      以 NI CompactRIO 硬件架構出的控製係統，要能透過 NI LabVIEW Real-Time Module 控製整座測試工作站，可於 FPGA 層級驗證量測並處理警示情況，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
，並以功能強大的 GUI 輕鬆執行作業。

   由於環保意識高漲，多種應用對燃料電池的需求亦與日遽增；包含從固定式係統、汽qi車che應ying用yong
，乃nai至zhi於yu行xing動dong電dian話hua，均jun不bu離li開kai此ci範fan疇chou。從cong過guo去qu的de曆li史shi來lai看kan
，工gong程cheng師shi設she計ji燃ran料liao電dian池chi的de著zhe眼yan點dian，為wei適shi用yong於yu長chang期qi且qie穩wen定ding的de測ce試shi，且qie必bi須xu能neng夠gou進jin行xing簡jian易yi的de效xiao能neng評ping估gu。然ran而er，交jiao通tong運yun輸shu應ying用yong的de燃ran料liao電dian池chi必bi須xu能neng夠gou快kuai速su進jin行xing反fan應ying，測ce試shi係xi統tong也ye因yin此ci必bi須xu可ke進jin行xing周zhou期qi仿fang真zhen與yu瞬shun時shi分fen析xi。因yin此ci，新xin係xi統tong除chu了le要yao能neng進jin行xing簡jian易yi量liang測ce之zhi外wai，亦yi要yao能neng進jin行xing高gao動dong態tai測ce試shi、硬件回路 (HIL) 模擬
、獨立式平台的通訊作業
，還要能進一步擴充。我們利用頂尖科技 (包含 FPGA 與 LabVIEW Real-Time Module)

，於極短的時間內設計並建立安全且高穩定的係統
，並更達到極高的係統效能。

係統概述

      一如常見的工作站

，此係統主體為圖形化使用者接口 (GUI) 與仿真係統，並搭配不同的操作係統與軟件
；而軟件可調整的平行多重數據 I/O 節點，則為我們係統所專有。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 weizhongxinjiagou
，qiebuxuewaideyingjian。duozuyizhucedejisuanjikejiangshedingdianchuansongzhikongzhiqi，qiesuoyoushuzhijunjiangbaoliu，zhidaobeiqitachuansongqifuxie。zaihuichuandeguochengzhong
，xitongjiangcongkongzhiqichuansongliangcejieguozhiyiwanchengzhucedejisuanji。

CompactRIO – 自動化的大腦

      不同於傳統以計算機控製的測試工作站，此係統完全是由 CompactRIO 實時控製器所操作，可確保整體精確度

；因此係統本身即擁有安全性與穩定性。FPGA 為係統的關鍵組件
，代表安全性的第一道關卡。所有的量測數據將通過 FPGA，並接受第一次的檢驗作業。係統將於極短時間內對警示做出反應，避免對複雜的高階應用造成影響。

      透過 DMA 與相關調整作業
，係統即可將數據傳送至控製器
，並以虛擬通道與UDP 所接收的設定點
，進而整合相關信息。並將 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；並將後者與其它通道進行交叉比對。係統接著將結果回傳至 FPGA，並透過 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，我們藉由延遲控製 (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。係統於啟動過程中，將從受保護檔案中彙入所有屬性，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，或子係統的重新初始化作業。

      由於我們的係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(shu)據(ju)流(liu)的(de)程(cheng)序(xu)設(she)計(ji)技(ji)術(shu)與(yu)平(ping)行(xing)機(ji)製(zhi)。因(yin)此(ci)，我(wo)們(men)可(ke)依(yi)多(duo)種(zhong)周(zhou)期(qi)次(ci)數(shu)建(jian)立(li)頻(pin)率(lv)回(hui)路(lu)的(de)架(jia)構(gou)，並(bing)以(yi)大(da)型(xing)或(huo)精(jing)巧(qiao)的(de)程(cheng)序(xu)代(dai)碼(ma)
，達(da)到(dao)異(yi)步(bu)化(hua)的(de)事(shi)件(jian)觸(chu)發(fa)架(jia)構(gou)。

XControl Power 的功能麵

      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。因為控製器已經負責安全性與核心功能，我們可將注意力集中於簡單易用

、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，或將之儲存於 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，將不需接觸後端的處理程序，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製器中。在交互式的管線儀表圖 (Piping and Instrumentation Diagram，P&ID) 中，單一 XControl 即可建構所有的客製控製作業。控製作業將遵循 DIN 標準，且其外表將根據其實體屬性而有所變化。我們並可根據不同的實體單位，針對控製作業進行同步化、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，則將顯示控製屬性，並開啟可設定卷標屬性的工具。

      CompactRIO dejianduanjishukejianhuakaifaguocheng，yiwanchengquanxinqieshishideranliaodianchiceshigongzuozhan。womenshejichuwanzhengqiegaochuanshulvdeshujujiekou
，kejiejiesuoyouxunidejisuanjipingtaiyuruanjian。

      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(ci)實(shi)為(wei)動(dong)態(tai)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)測(ce)試(shi)技(ji)術(shu)的(de)重(zhong)大(da)突(tu)破(po)。而(er)係(xi)統(tong)效(xiao)能(neng)亦(yi)不(bu)容(rong)小(xiao)覷(qu)
，可(ke)達(da)多(duo)重(zhong)安(an)全(quan)層(ceng)級(ji)與(yu)輕(qing)鬆(song)進(jin)行(xing)兼(jian)容(rong)的(de)軟(ruan)件(jian)。由(you)於(yu)所(suo)有(you)安(an)全(quan)相(xiang)關(guan)的(de)子(zi)係(xi)統(tong)均(jun)經(jing)過(guo)加(jia)密(mi)且(qie)無(wu)法(fa)開(kai)放(fang)

，因(yin)此(ci)我(wo)們(men)的(de)係(xi)統(tong)可(ke)針(zhen)對(dui) 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，並以序列外圍接口 (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mo塊kuai，與yu彈dan性xing的de軟ruan件jian
，達da到dao此ci革ge命ming性xing的de概gai念nian
，並bing具ju有you極ji高gao的de擴kuo充chong與yu再zai使shi用yong價jia值zhi性xing。此ci套tao設she定ding
，可ke簡jian化hua整zheng個ge測ce試shi工gong作zuo站zhan的de開kai發fa作zuo業ye，亦yi可ke輕qing鬆song更geng新xin現xian有you係xi統tong
，以yi獲huo得de極ji高gao的de經jing濟ji效xiao益yi。