Nasa kiest NI SC Express voor nauwkeurigheid en flexibiliteit in nieuw data-acquisitiesysteem

Gesponsorde bijdrage van National Instruments 

 

"Voor het eerst heeft Nasa niet langer zelf-ontwikkelde signaalconditioneringsapparatuur nodig als toevoeging aan de meetinstrumentatie. Nasa kan nu met de NI SC Express hardware de ±1,7 ^oC ‘end-to-end’ nauwkeurigheidseisen voor de thermokoppels met commerciële ‘off-the-shelf’-technologie bereiken."

James Dean – Jacobs Technology

Ruimte op aarde simuleren

Op het moment dat Nasa verschillende reparatietechnieken en materialen moest testen die astronauten konden gebruiken om beschadigde tegels op de space shuttle te repareren, maakte het gebruik  van de Chamber B faciliteit (zaal B) in het Johnson Space Centre (JSC). Deze klimaatkamer kan vacuüm gezogen worden, waarna condities zoals in de ruimte heersen, ingesteld worden en een astronaut deze ruimte kan betreden. In de klimaatkamer kan de astronaut verschillende soorten reparaties testen en de beste reparatiekandidaten door te geven zodat zij naar de tegels in een gesimuleerde omgeving konden gaan om hun prestaties onder extreme druk en temperaturen in de ruimte te testen. Chamber B is met zijn 10,7 meter breedte en 13,1 meter lengte de kleinste thermische vacuüm zaal in gebouw 32 van het Nasa JSC. Het is echter niet minder complex dan zijn grotere buurman een deur verderop. Functies waaronder het verplaatsbare dak om grotere testapparaten er in te zetten, een verplaatsbare monorail om een gewichtsreductie voor een bemanningslid tijdelijk te realiseren en het tweede bemanningslid vast te zetten om eenvoudig toegang te krijgen tot de bemanningstoegang. Allemaal zaken die bijdragen aan de complexiteit van de zaal.

Chamber B moet, om voor een ruimteachtige omgeving te zorgen, een temperatuur bereiken van 90 Kelvin bij een atmosfeer van 10^-3 micrometer (~-1 x 10^-9 atm). Een op stikstof gebaseerd koelsysteem loopt door de muren van de zaal om de thermische omgeving te karakteriseren en daarmee te waarborgen dat de gewenste temperatuur ook wordt bereikt en te verifiëren dat de stikstofstroom ook daadwerkelijk door het koelsysteem van de zaal stroomt. Bepaalde testapparaten vereisen eveneens nauwkeurige temperatuurmetingen om ervoor te zorgen dat zij zich ook gedragen zoals in dergelijke omgevingen mag worden verwacht. Druk- en stroommetingen worden eveneens in deze faciliteit uitgevoerd en binnen het DAQ-systeem verwerkt. Chamber B heeft, als naar alle signalen wordt gekeken, meer dan 500 analoge signalen te verwerken waarvan de meerderheid uit thermokoppels bestaat.

De instrumentatie van Nasa’s grootste klimaatkamer voor astronauten is niet eenvoudig

DAQ-systemen met een hoge kanaaldichtheid introduceren altijd nieuwe, complexe, nog niet in kleinere systemen voorgekomen uitdagingen. Het systeem bij Nasa JSC is geen uitzondering. Nauwkeurige metingen zijn van het grootste belang in kamer B. Bovendien moet een geavanceerde en vooruitstrevende architectuur worden gedefinieerd voor een gedistribueerd systeem dat in staat is om op een centrale locatie de gegevens zowel te loggen als te visualiseren. Als een systeem eenmaal staat, zal het niet snel veranderen. Dit uit budgettaire overwegingen, dus moet de oplossing goed worden gepland en aanpasbaar zijn aan de behoeften van toekomstige klanten en testen.

Het DAQ-systeem in Chamber B is gebaseerd op de NEFF 470 en NEFF 620 systemen met een aangepaste OPC-interface. Alle thermokoppels moeten op een stabiele centrale referentie worden gehouden om de gewenste nauwkeurigheid te realiseren voordat de signalen aan de NEFF DAQ-apparatuur worden aangeboden. Bovendien was de gebruikersgerichte OPC-interface ontwikkeld voor Windows NT en mist daardoor de flexibiliteit om meer systemen of functies er aan toe te voegen. Op het moment dat de NEFF-apparatuur steeds lastiger en duurder werd om te repareren en te onderhouden zocht Nasa naar een nieuwe oplossing voor het Chamber B DAQ-systeem.

 

Met een breedte van 10,7 m en een hoogte van 13,1 m is Chamber B de kleinste van twee klimaatkamers in gebouw 32 bij Nasa JSC. De koepel van de kamer kan worden verwijderd zodat grote objecten er van bovenaf in kunnen worden geplaats. De gele kraan tilt de koepel op en verplaatst hem naar een platform, links van de foto.

  

De NI-platform keuze

Nasa koos als vervanging voor het DAQ-systeem in Chamber B als nieuwe oplossing voor de NI SC Express en de PXI-hardware. De nieuwe setup bestaat uit meerdere NI PXIe-1075 chassis met NI PXIe-4353 ingangsmodulen voor de thermokoppels en een PXI-6682 timing module voor de synchronisatie. Elk PXIe-4353 is in staat om de signalen van 32 thermokoppels te verwerken, waardoor het complete systeem meer dan 1500 thermokoppels kan meten. Gegeven de nauwkeurigheidseisen van ±1.7 °C ‘end-to-end’ van Nasa is het een uitdaging om een dergelijk niveau te realiseren zonder externe signaalconditioneringsapparatuur zoals referentie-ovens of op maat ontwikkelde koude-lascompensatie (cold-junction) oplossingen.

Het is voor het eerst dat Nasa met het NI-systeem niet langer afhankelijk is van een custom signaalconditioneringssysteem naast haar meetinstrumentatie hardware. Nasa kan met de NI SC Express de vereiste ±1.7 °C ‘end-to-end’ nauwkeurigheid voor het T-type thermokoppels met behulp van de commercieel verkrijgbare technologie realiseren. Het niet meer hoeven inzetten van de referentie-ovens betekent voor Nasa dat het bedraden van de thermokoppels naar een centrale locatie achterwege kan worden gelaten. De nauwkeurigheid en de meer gedistribueerde architectuur zorgt dat Nasa op bedrading kan besparen en dus kosten reduceert. Een kostenverlaging die dankzij het NI PXI-platform en de NI LabVIEW ontwikkelsoftware als nieuw systeem mogelijk is geworden.

High-level synchronisatie

Het mate en manier van synchronisatie moet, zoals bij ieder ander gedistribueerd systeem, onderdeel vormen van de oorspronkelijke planning van het systeem. Hoewel het Chamber B DAQ-systeem voornamelijk uit thermokoppels bestaat wil Nasa desondanks een hoog synchronisatieniveau hebben tussen de metingen om daarmee tegemoet te komen aan andere typen snelle metingen zoals bij druk- en spanningsmetingen. Nasa maakt daarbij gebruik van een GPS-tijdbron om dit synchronisatieniveau te verkrijgen. Hiervoor wordt een 1588-signaal uitgezonden naar elk van de PXI-6682H modulen in het systeem. Het 1588-signaal zorgt voor een nauwkeurige synchronisatie zonder uitgebreide configuratie-instellingen te moeten doorlopen. Elk PXI-6682H systeem krijgt een IP-adres op het timing subnet toegewezen met als prioriteit dat de module de tijdsbron herkent als de masterklok en daarop synchroniseert. De configuratie en de handshaking wordt vanaf dat punt door het instrument zelf verwerkt zonder dat daarvoor configuratie-instellingen zijn vereist. Nu is iedere PXI-6682H module ingesteld om de 10MHz-klok op de backplane van de PXI aan te sturen als zijnde de acquisitieklok voor alle modulen in het systeem. Nasa kan met behulp van deze architectuur een synchronisatie binnen 100 µs tussen de kanalen verkrijgen ongeacht of de individuele PXI-chassis tientallen meters van elkaar zijn verwijderd. Bovendien biedt de 1588 time server een eenvoudige synchronisatie met de 1588 compatibele besturingssystemen en de OPC-clients waarmee het complete systeem beschikt over een solide tijdsbasis voor acquirering, weergave en vastleggen van alle data.

Alle informatie voor het systeem van Chamber B moet tijdens het testen real-time in de controlekamer zichtbaar zijn. Bovendien moeten de gegevens in een centrale database worden vastgelegd met op elk PXI-systeem een back-up. De Nasa maakte met de NEFF-apparatuur gebruik van een aangepaste klant-gespecificeerde OPC-interface om met de OPC-clients te communiceren. De interface is meer dan tien jaar geleden geschreven voor Windows NT.

 PXI SCXI TC DAQ isothemische blokken.

Als Nasa het systeem opwaardeerde naar nieuwere Windows-versies moest het nieuwe operating systeem noodzakelijkerwijs de NT-gebaseerde SCI-drivers herkennen om er voor te zorgen dat de NEFF-informatie beschikbaar kwam voor de OPC-clients (Iconics). De ontwikkeling van een OPC-interface naar het DAQ-programma was eenvoudig met behulp van de out-of-the-box OPC-ondersteuning van Labview. Het eindresultaat was aanzienlijk beter bestand tegen wijzigingen in de data serveromgeving dan voorheen. Elk van de PXI-gebaseerde OPC-servers stuurt de data door naar de Iconics clients waar het wordt bekeken in de controlekamer en wordt vastgelegd in een SQL-database. Ieder PXI-systeem slaat, als back-up en voor extra betrouwbaarheid, de gegevens lokaal met een hogere snelheid op.

Creatie van een schaalbare en flexibele oplossing

Het effectieve hergebruik van zowel hardware als software kan voor een grote organisatie als de Nasa een aanzienlijke efficiëntieverbetering betekenen. De Chamber B software is ontleend aan het Labview DAQ-systeem dat ontwikkeld werd voor Chamber A. Extra kanalen kunnen met deze aangepaste codebibliotheek en de standaard architectuur op een eenvoudige manier aan het systeem worden toegevoegd, zowel tijdelijk als permanent. Nieuwe en aanvullende systemen kunnen snel worden geïmplementeerd op elke willekeurige NI DAQmx ondersteunende hardware. De extra kanalen kunnen bovendien door het gebruik van de 1588 synchronisatiemethoden en de PXI-6682H eenvoudig met de rest van het besturings- en datasysteem worden gesynchroniseerd. Bovendien zijn de data, dankzij de OPC-mogelijkheid, direct op elke willekeurige OPC-client binnen het testnetwerk beschikbaar.

Blijkt bijvoorbeeld dat de behoeften aan het aantal kanalen van Chamber A uitkomt boven de mogelijkheden van het huidige systeem, dan kunnen de Nasa-engineers het PXI-systeem van Chamber B naar Chamber A verplaatsen. Het ondersteunende testpersoneel kiest eenvoudigweg een configuratiebestand uit een database, een Labview configuratieprogramma en start het acquireren van de data. De Nasa-engineers kunnen, om weer terug te keren naar de oorspronkelijke configuratie het voorgaande configuratiebestand herladen en het DAQ-systeem is gereed om de acquisitie in Chamber B te hervatten.

Dit op maat gemaakte paneel wordt gebruikt voor het testen van het Z1-ruimtepak.

 

Het PXI/SC Express-systeem voldoet aan de strikte nauwkeurigheids- en synchronisatie-eisen van de Nasa en de Labview-software zorgt voor een snelle implementatie en de toegang tot de gegevens. Als de oudere systemen worden afgeschaft en opgewaardeerd zullen de PXI/SC Express- en Labview-bibliotheken op een soortgelijke wijze worden geïmplementeerd. Deze configuratie vormt de toekomstige standaard architectuur voor gebruik in alle thermische en vacuüm testinstallaties van de Nasa.

De engineering gids voor signaalconditionering

Signaalconditionering vormt één van de belangrijkste componenten van een data-acquisitiesysteem. Dit omdat de nauwkeurigheid van de meting niet kan worden verkregen zonder de real-world signalen te optimaliseren voor de toegepaste digitale verwerkingsmogelijkheden. In de Engineerings Guide to Signal Conditioning die te downloaden is van de site van NI wordt uitgelegd hoe signaalconditionering werkt en nauwkeurigheid, snelheid en prestaties gerealiseerd kunnen worden.

Het resultaat is dat een testsysteem kan worden ontwikkeld dat afhankelijk van de testbehoeften van nu en in de toekomst kan worden geschaald.

Downloaden:

Engineers Guide to Signal Conditioning

Configureer uw eigen PXI-systeem