Das Graphical System Design hat seinen Ursprung in der Konzipierung von NI Labview als Systemdesignsoftware vor mittlerweile 25 Jahren. Die Software nimmt hier eine Schlüsselrolle ein, weil sie und damit der Anwender letztendlich die Gesamtfunktionalität der Applikation festlegt. Unabdingbar ist hierbei, dass die Hardware exakt auf die Software abgestimmt ist. Zwar ist es möglich, Stand-alone-Messgeräte oder dedizierte I/O-Systeme mit vordefinierter Funktionalität zusammen mit Labview einzusetzen, allerdings kann die Software dann nicht mehr beliebig die Funktionalität der Hardware variieren. NIs Hardwareplattform mit rekonfigurierbaren I/Os – der sogenannten RIO-Architektur – kombiniert mit Labview gestattet es, die Hardware den sich ändernden Bedürfnissen des Anwenders immer wieder anzupassen. So kann sich der Anwender auf Innovationen konzentrieren, anstatt sich mit aufwändigen Systemdesignproblemen auseinandersetzen zu müssen.

Graphical System Design eignet sich auch für Lösungen im Energiebereich. Anhand dreier Beispiele wird nachfolgend gezeigt, wie dieses Konzept dazu beiträgt, heutige Herausforderungen in diesem Sektor zu bewältigen.

Produktion von Solarzellen

NI-Produkte spielen u.a. im Forschungs- und Entwicklungsprozess des Photovoltaikherstellers Siliken Renewable Energy eine wichtige Rolle. Sie werden bei neuen Innovationen und neuen Technologien sowie beim Test aller produzierten Solarzellen eingesetzt.

Zur Reinigung des Siliziums bei Temperaturen von über 1000 °C bedient Siliken sich eines Digital-Moduls – NI PXI-1422 – zur Erfassung dynamischer Signale, das Bilder der gereinigten Siliziumpartikel beim Verlassen der Reinigungsanlage erfasst. Anschließend führt Bildverarbeitungssoftware eine dezentrale Analyse durch und misst die Größe der gereinigten Partikel bei ihrer Herstellung. Gleichzeitig waren schnellere Regelschleifen erforderlich, um Durchfluss- und Druckparameter des gereinigten Siliziums zu messen. Mit NI PXI-4472 lassen sich Schwingungen messen, sodass sie definierte Sicherheitsschwellen zu keiner Zeit überschreiten. Dies würde zu einer Instabilität des Systems und damit zu Schäden an der Anlage führen. Eingesetzt werden hierbei die nahtlos integrierten NI-Labview- und NI-PXI-Plattformen, wodurch eine einheitliche Lösung zweier unabhängiger, aber dennoch kritischer Aufgaben gewährleistet ist.

Nach der Montage der Solarzellen müssen Strom-Spannungs-Kennlinien getestet werden, um die Energieabgabe jedes Moduls zu prüfen. So wird sichergestellt, dass jede genau die von Siliken versprochene Energiemenge erzeugt. Mithilfe von NI CompactRIO, NI Labview FPGA und einer Multifunktionsdatenerfassungskarte NI PCI-6122 der S-Serie war Siliken in der Lage, diese recht komplexen Tests mit größerer Präzision und wesentlich höherem Durchsatz durchzuführen als zuvor.

Dauerprüfung von Hydraulikspeichern

Ein weiteres Beispiel stammt von der Firma a-solution GmbH, die NI-Hard- und -Software für die Dauerprüfung von Hydraulikspeichern einsetzt. Die Speichersysteme werden dort verwendet, wo große Energiemengen zu speichern sind – beispielsweise um Energiereserven für Notfallsituationen kurzfristig abzurufen oder Energie zur Erreichung extremer Beschleunigungen in kürzester Zeit freizusetzen. Die Hydraulikspeicher arbeiten mit extrem hohen Drücken bis zu 2000 bar. Entsprechend aufwändig sind Entwicklung und Prüfung.

Bei der Auswahl der Hardware galt es, zahlreiche Aspekte zu beachten. Entscheidendes Kriterium war dabei die Fähigkeit des Systems, glatte Sollkurven mit einer möglichst hohen Taktrate zu generieren, um die Stoßbelastung für die nachgeschaltete Hydraulik zu minimieren. Ein weiteres Auswahlkriterium stellte eine robuste und kompakte Bauform dar. PC-kompatible Schnittstellen sollten den einfachen Datenaustausch zwischen Funktionsgenerator und Prüfrechner sicherstellen. Zudem musste das Gerät entsprechend der Spezifikationen in der Lage sein, nicht nur Sollwerte auszugeben, sondern zusätzlich auch Messwerte zu erfassen.

Aufgrund des industrietauglichen Designs, der standardmäßigen Verfügbarkeit von Ethernet- und RS232-Schnittstellen und vor allem der leistungsfähigen Hardware-Plattformen Echtzeitcontroller und FPGA wurde NI CompactRIO als Basis für die Geräte-Erstellung gewählt.

Als Benutzerschnittstelle entschied man sich für NI Diadem. Hier erfolgen sowohl die Vorgabe der Parameter der Signalgenerierung als auch die Verarbeitung der erfassten Messwerte. Die Arbeit für den Versuchsingenieur hat sich durch die Verfügbarkeit des softwaregesteuerten Funktionsgenerators entscheidend vereinfacht. Er muss nun nicht mehr verschiedene Geräte bedienen und deren Messdaten und Parameter zusammenfügen, da alle Daten nach Versuchsende sofort zur Auswertung zur Verfügung stehen.

Überprüfung von Turbinen-Steuerungen

Weiteres Beispiel für den Einsatz von NI-Hard- und -Software ist die Entwicklung eines Hardware-in-the-Loop-Simulators bei Siemens Wind Power zur Überprüfung von Steuerungssystemen für Windenergieturbinen. Eine Windenergieanlage besteht aus mehreren Komponenten, darunter Rotor, Getriebe, Umrichter und Transformator, die zur Umwandlung kinetischer Windenergie in Elektrizität verwendet werden. Das Steuerungssystem ist mit diesen Komponenten über hunderte von I/O-Signalen und mehrere Kommunikationsprotokolle verbunden. Der komplexeste Teil des Steuerungssystems ist die Embedded-Steuersoftware, die die Regelschleifen ausführt.

Nach der Evaluierung der verfügbaren Technologien wählte Siemens Wind Power die Software NI Labview sowie PXI-basierte Echtzeit- und FPGA-Hardware, um eine neue Prüflösung zu entwickeln. Das Prüfsystem simuliert das Verhalten der realen Komponenten einer Windenergieturbine, indem es Simulationsmodelle für diese Komponenten im NI-Labview-Real-Time-System ausführt, um simulierte Signale für das zu testende System bereitzustellen.

Der Host-Rechner verfügt über eine intuitive grafische Labview-Benutzeroberfläche, die von Anwendern einfach angepasst werden kann, indem sie die Komponenten auf dem Bedienfeld verschieben. Die Software auf dem Host-Rechner kommuniziert über Ethernet mit dem Labview-Real-Time-Zielgerät, das sich in einem PXI-1042Q-Chassis befindet. Labview Real-Time führt Simulationssoftware aus, die gewöhnlich aus 20 bis 25 parallel ausgeführten Simulations-DLLs besteht.

Das neue Prüfsystem von Siemens Wind Power bietet im Vergleich zur vorherigen Lösung etliche Vorteile: Aufgrund der Modularität des Systems lässt es sich leicht verbessern, anpassen und weiterentwickeln. Das getestete System kann schnell ersetzt werden, ohne dass dazu Änderungen an der Prüfsystemarchitektur vorgenommen werden müssen.

Nach Informationen der National Instruments Germany GmbH in München ( www.ni.com/germany )