LabVIEW Anwendertreffen

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1 LabVIEW Anwendertreffen Aachen, 22. November

2 Ihr NI-Team vor Ort Marc Backmeyer, Senior Academic Relations Central Europe Rolf Kall, District Sales Manager Stefan Kissel, Application Engineer Specialist Walter Rick, DIAdem Product Support Engineer for Europe Nikolai Roesch, Academic Program Manager Central Europe Saso Veskovski, Business Segment Manager Energy Central Europe 3 Agenda 09:00 09:15 Registrierung und Begrüßung 09:15 10:15 Effektives Nutzen der neuen Programmiervorlagen in LabVIEW :15 10:30 Kaffeepause 10:30 11:30 Übersicht über aktuelle Hardware von NI 11:30 12:00 Anwendervortrag: Hardware-in-the-loop Prüfstand für die Auslegung von Wärmerückgewinnungssystemen im PKW mit VeriStand 12:00 13:00 Mittagspause 13:00 13:45 Verteilte Systeme: Was bedeutet smart? 13:45 14:00 Formula Student an der RWTH Aachen 14:00 15:00 NI DIAdem :30 16:30 Optional: kostenlose CLAD-Zertifizierung 4 2

3 Today s Engineering Challenges Minimizing power consumption Managing global operations Getting increasingly complex products to market faster Maximizing operational efficiency Adapting to evolving application requirements Protecting investments Doing more with less Integrating code and systems 7 National Instruments Our Mission We equip engineers and scientists with tools that accelerate productivity, innovation, and discovery. 8 3

4 National Instruments Our Stability Non-GAAP Revenue: $290 M in Q Global Operations: Approximately 6,400 employees; operations in more than 40 countries Broad customer base: More than 35,000 companies served annually Diversity: No industry >15% of revenue Culture: Ranked among top 25 companies to work for worldwide by the Great Places to Work Institute Strong Cash Position: Cash and shortterm investments of $351M as of June 30, 2012 Long-Term Track Record of Growth and Profitability Non-GAAP Revenue* in Millions *A reconciliation of GAAP to non-gaap results is available at investor. 9 National Instruments What We Do Graphical system design combines graphical programming software with modular hardware, leveraging the latest technologies. Low-Cost Modular Measurement and Control Hardware Productive Software Development Tools Highly Integrated Systems Platforms 11 4

5 Empowering Users Through Software Providing Unique Differentiation and Preserving Investments LEGO MINDSTORMS NXT the smartest, coolest toy of the year CERN Large Hadron Collider the most powerful instrument on Earth 12 Think Platform. Invest in a platform-based approach to help you more easily adapt to changing requirements and technology over time. 14 5

6 Graphical System Design A Platform-Based Approach for Measurement and Control Test Monitor Embedded Control Cyber Physical Desktops and PC-Based DAQ PXI and Modular Instruments RIO and Custom Designs Open Connectivity with 3 rd Party I/O 15 Software Hardware COMMUNITY 200,000+ online members 450+ registered user groups 3,000+ job postings online 8,000 classrooms using NI tools 74 peer-driven support forums CONNECTIVITY 9,000+ instrument drivers 8,000+ example programs 1,000+ motion drives 1,000+ smart sensors 1,000+ third-party PAC devices COLLABORATION 100+ third-party add-ons 700+ NI Alliance Partners 1,000+ value-added resellers 35+ training courses World-Class Technology Ecosystem 16 Computing Technology Intel, Microsoft, Freescale, Wind River Multicore and real-time technology FPGA Xilinx Virtex and Spartan Reconfigurable hardware IP Control and signal processing IP and I/O drivers Built-in graphical IP, integrated user IP I/O Analog Devices, Texas Instruments Connect to any sensor and actuator BUS PCI/PCI Express, Ethernet, USB, wireless, deterministic Ethernet, open architecture 6

7 NI WorldClass 2013 drive your future employ your imagination have fun and be successful NI WorldClass 2013 Informationen Termine 2012/2013* Bewerbungsfrist bis 6. Dezember 2012 NI WorldClass März 2013 *Termine können sich geringfügig ändern Kontakt Online-Bewerbung Telefon D: A: CH:

8 Kurse an der RWTH Aachen Q Das Rechen- und Kommunikationszentrum (RZ) der RWTH Aachen organisiert die folgenden LabVIEW Veranstaltungen LabVIEW Grundlagen LabVIEW Grundlagen LabVIEW Grundlagen 2 Preis 350,00 (zzgl. MwSt.) Anmeldung: Kurse für Q2 und Q werden derzeit geplant 21 LabVIEW Kurse an der RWTH Aachen Thomas Pätzold Rechen- und Kommunikationszentrum Auswahl geeigneter Software-Frameworks in der Praxis Stefan Kissel National Instruments Applications & Systems Specialist 8

9 Agenda Einleitung Software-Frameworks für nichtdeterministische Anwendungen Spezialfall Real-Time- und FPGA-Plattformen Seite 23 Software Life Cycle Entwicklung von lesbaren, wartbaren und skalierbaren Applikationen Framework-Auswahl Passende Architektur auswählen Inwieweit muss Applikation skalierbar sein? Entwickler muss Architektur verstehen und darf nicht überfordert sein. Overkill -Architektur bedeutet für kleine Projekte unnötige Entwicklungszeit. Requirements Gathering Design Development Validation Deployment 9

10 Sorgfältige Planung lohnt sich Falsche Auswahl der Software-Architektur kann sehr teuer werden, vor allem wenn Projekt dadurch unskalierbar und schwer wartbar wird. Software-Engineering-Prozessphase Requirements 1 Design 3-6x Development Kostenverhältnis 10x Development testing 15-40x Validation 30-70x Post-release x Terminologie Vorlage Allgemeine Referenzvorlage, die modifiziert werden kann und als Startvorlage für eigene Projekte dient. Beispielprojekte Lauffähiges Beispielprojet, das auf eine Referenzvorlage aufgebaut. Kann für eigene Projekte editiert werden. Seite 26 10

11 Vorlagen und Beispielprojekte in LabVIEW 2012 Simple State Machine Queued Message Handler Finite Measurement Continuous Measurement and Logging Actor Framework Feedback Evaporative Cooler Continuous Measurement and Logging (NI-DAQmx) Finite Measurement (NI-DAQmx) LabVIEW Real-Time Control (NI-DAQmx) LabVIEW Real-Time Waveform Acquisition and Logging (NI-DAQmx) LabVIEW FPGA Control on CompactRIO LabVIEW FPGA Waveform Acquisition and Logging on CompactRIO LabVIEW Real-Time Control on CompactRIO (RIO Scan Interface) LabVIEW FPGA Project Instrument Driver Project Robotics Project Touch Panel Project Kategorisierung Windows, Linux, Mac OS Simple State Machine Queued Message Handler Actor Framework Real-Time LabVIEW Real- Time Control LabVIEW Real- Time Waveform Acquisition and Logging FPGA LabVIEW FPGA Project Seite 28 11

12 Vorlagen für nichtdeterministische Anwendungen Einfacher Zustandsautomat 12

13 Einfacher Zustandsautomat Ermöglicht das Festlegen der Ausführungsreihenfolge von Codeabschnitten Nächster Zustand basiert auf Entscheidung im aktuellen Zustand Entspricht einem Moore-Automaten Einfacher Zustandsautomat Anwendungsfälle Sequentielle Codeausführung Ablaufsteuerung 13

14 Einfacher Zustandsautomat Implementierung Zustandsdiagramm Zustandsautomat Einfacher Zustandsautomat Implementierung 14

15 Einfacher Zustandsautomat Implementierung Übergang zwischen zwei Zuständen Übergang zwischen zwei Zuständen Einfacher Zustandsautomat Beispielprojekt: Messung mit bestimmter Sample-Anzahl 15

16 Einfacher Zustandsautomat Einschränkungen Es wird nur jeweils ein Zustand ausgeführt. Wenn verschiedene Raten oder parallele Tasks benötigt werden, empfehlen sich die Vorlagen Handler für Nachrichten-Queues oder Akteur-Framework. Handler für Nachrichten-Queues Seite 38 16

17 Handler für Nachrichten-Queues Anwendungsfälle Für Applikationen mit mehreren parallel ausgeführten Tasks Abarbeitung von asynchronen Tasks Seite 39 Handler für Nachrichten-Queues Implementierung Erzeuger/Verbraucher-Entwurfsmuster Verbraucher ist wie ein Zustandsautomat aufgebaut und arbeitet Aufgaben ab. Jede Schleife definiert einen Task, der zusammen mit anderen Tasks parallel ausgeführt wird. Seite 40 17

18 Handler für Nachrichten-Queues Durch Frontpanelbedienung wird mittels Ereignisstruktur eine Nachricht erzeugt. Die Nachricht wird in der Queue gespeichert. Seite 41 Handler für Nachrichten-Queues Verbraucherschleife liest eine Nachricht und entfernt sie aus der Queue. Seite 42 18

19 Handler für Nachrichten-Queues Über die Nachricht wird ein passender Case ausgewählt und abgearbeitet. Seite 43 Handler für Nachrichten-Queues Verbraucherschleife kann eine weitere Nachricht erzeugen, die in der Nachrichten-Queue gespeichert wird. Seite 44 19

20 Handler für Nachrichten-Queues Beispielprojekt: Kontinuierliche Messung und Protokollierung Akteur-Framework Seite 46 20

21 Akteur-Framework Akteur-Framework wurde für große Multiprozessanwendungen entwickelt. Für Applikationen, bei denen große Mengen an Programmcode kopiert werden, wenn die Applikation um Funktionen und Prozesse erweitert wird Objektorientierter Ansatz Beinhaltet Werkzeuge zur Erstellung von Nachrichten und VIs zum Aufruf von Akteur-Methoden Seite 47 Akteur-Framework Jeder Akteur ist durch eine LabVIEW-Klasse definiert. Gestartete Instanzen eines Akteurs werden als ein LabVIEW-Objekt dargestellt. Alle Nachfolger der Hauptakteurklasse enthalten eine Methode (Actor Core.vi), die als Handler für Nachrichten- Queues agiert. Das Actor Core.vi empfängt Nachrichten und Daten von anderen Akteuren im System und antwortet darauf. Seite 48 21

22 Akteur-Framework Beispielprojekt: Verdunstungskühler Seite 49 Echtzeitfähige Architektur Besonderheiten Aufteilung in nichtdeterministische und deterministische Tasks, zeitkritische Tasks priorisieren Host Applikation Real-Time Applikation Netzwerkkommunikation Seite 50 22

23 Echtzeitfähige Architektur Besonderheiten Keine dynamische Speicherallokierung Speicher außerhalb der zeitkritischen Schleife allokieren. Seite 51 Echtzeitfähige Architektur Besonderheiten Referenzen innerhalb der Initialisierungsroutine öffnen und in Deinitialisierungsroutine schließen. Vorsicht vor Code mit unterschiedlicher Ausführungsdauer (Case-Struktur) Seite 52 23

24 Echtzeitfähige Architektur Besonderheiten Keine blockierende Funktionen in zeitkritischer Schleife verwenden. Geteilte Ressourcen vermeiden. Seite 53 Echtzeitfähige Architektur Echtzeitfähiger Datenaustausch zwischen deterministischen und nichtdeterministischen Tasks Einzelprozess- Umgebungsvariable mit Real-Time FIFO Real-Time-FIFO-Funktion Funktionale globale Variable mit Prioritätseinstellung Unterprogrammaufruf übergehen, wenn beschäftigt Seite 54 24

25 Echtzeitfähige Architektur Beispielprojekte für Steuer-, Regel- und Überwachungsanwendungen Echtzeitfähige Architektur Beispielprojekte für Steuer-, Regel- und Überwachungsanwendungen 25

26 Echtzeitfähige Architektur Nützliche Zusatzfunktionen für Stand-alone- Applikationen Überwacht Embedded- System, ob es noch lebt Ermöglicht Neustart des Embedded- Überwacht CPU- und Speicherauslastung, Takt Geräts der Regel-Loop, FPGA-Architektur Code parallelisieren 26

27 FPGA-Architektur Code parallelisieren durch Pipelining FPGA-Architektur Codemodularisierung durch SubVIs erzeugt keinen Overhead. Bei mehrfachem Aufruf von SubVIs Einstellung Ausführung beachten. 27

28 FPGA-Architektur Zustandsautomaten eignen sich auf dem FPGA sehr gut für die Implementierung von sequentiellen Abläufen wie Steuerungen oder Busprotokolle. Weiterführende Informationen Vorlagen und Beispielprojekte in LabVIEW 28

29 Diskussion Vielen Dank! Kaffeepause 29

30 Übersicht über aktuelle Hardware von NI Rolf Kall NI-Datenerfassungsplattformen Eine Anwendung, viele Zielsysteme USB NI-DAQmx-Treibersoftware LAN, WLAN PCI/PCI Express USB, LAN PXI/PXI Express 66 30

31 Multifunktionale Datenerfassungsgeräte X-Serie für PCI Express, PXI Express und USB Multifunction DAQ Analoge I/O Digitale I/O Counter/Timer Simultanes Abtasten und Generieren von Signalen Optimiertes bidirektionales Daten-Streaming Unkomplizierter Upgrade von der M-Serie 67 NI-USB-Datenerfassungshardware NI CompactDAQ Single Carrier Der modulare Ansatz Multifunktions-DAQ-Geräte über USB-Bus gespeist Multifunktions-DAQ-Geräte Höchste Leistungsfähigkeit mit USB-Anbindung Kostengünstig 68 31

32 USB-Bus Ein-/Ausgangsbereich System 12/18/2012 NI-CompactDAQ-System High-Speed-USB-Anschluss Integrierte A/D- und D/A-Wandler Dedizierte Übertragungsbandbreite Simultane Abtastung Bidirektionale Übertragung Integrierte Anschlusstechnik Isolierter Eingangsbereich Integrierte Signalkonditionierung Erweiterbarkeit Modularität 69 Ethernet CompactDAQ Für dezentral verteile Messsysteme Einfache Netzwerkanbindung durch Zeroconf Networking Konfiguration mit Web-Interface NI CompactDAQ-System mit Gigabit-Ethernet-Anbindung und gewohnter NI-DAQmx-Treiber- Unterstützung 70 32

33 1-Slot-Chassis für CompactDAQ Vereinfachter und portabler Formfaktor Bussysteme USB LAN Wireless Robustes Metallgehäuse Temperaturbereich 0-55 C Stoßfestigkeit bis 30 g Vibrationsfestigkeit bis 3 g Kompatibilität Unterstütztung aller C-Serien- Module für CompactDAQ Treibersoftware NI-DAQmx 71 NEU Module der C-Serie für CompactDAQ Mehr Funktionalität für CompactDAQ Analogeingang NI 9232: IEPE-Modul für Zustandsüberwachung oder Erfassung dynamischer Signal NI 9214: Thermoelement-Eingangsmodul mit 16 Kanälen NI 9223: Analogeingangsmodul mit simultaner Abtastung von 4 Kanälen mit 1 MS/s NI 9220: Analogeingangsmodul mit simultaner Abtastung von 16 Kanälen mit 100 ks/s Digitaleingang und -ausgang NI 9375: Modul mit 16 digitalen Eingängen (0-30 V) und 16 digitalen Ausgängen (6-30 V) CAN- und LIN- Schnittstellen NI 9861: Low-Speed NI-XNET CAN Modul mit 1 Anschluss NI 9862: High-Speed NI-XNET CAN Modul mit 1 Anschluss NI 9866: NI X-NET LIN-Modul mit 1Anschluss 72 33

34 Modulare Datenlogger-Plattformen NI CompactDAQ USB oder Ethernet Synchronisation zwischen Modulen Software-APIs für benutzerdefinierte Anpassungen NI CompactRIO Stand-alone-Betrieb Echtzeitverarbeitung Synchronisation zwischen Modulen Maximale Flexibilität durch programmierbaren FPGA Loggen, analysieren, steuern und regeln 73 NEU NI CompactDAQ Stand-Alone System 1,33-GHz-Dual-Core- Prozessor CPU- Erweiterungsmodul USB- und serielle Anschlüsse VGA für direkte Visualisierung MXI-Express für I/O-Erweiterung Gigabit Ethernet 8 Steckplätze für I/O- Module der C-Serie 74 34

35 NI-CompactRIO Real-Time-Prozessor Rekonfigurierbarer FPGA Extreme Robustheit Temperaturbereich von -40 bis 70 C 50 g Stoß-, 5 g Vibrationsfestigkeit I/O-Module Geringe Leistungsaufnahme Von 9 bis 35 VDC, 7-10 W typ. I/O-Module mit integrierter Signalkonditionierung für beliebige Sensoren/Aktuatoren Rekonfigurierbarer FPGA für Hochgeschwindigkeits-Timing, -Triggerung und - Regelung der I/O-Kanäle Real-Time-Prozessor für deterministisches Loggen und Analysieren von Daten 75 Anwendungsbereiche für das CompactRIO Maschinensteuerung Maschinenzustandsüberwachung Prototypenerstellung Steuer-/Regelsystem Datenlogger Verteilte/Mobile Datenerfassung 76 35

36 Wieso eignet sich LabVIEW so gut für FPGAs? FPGAs sind datenflussorientierte Systeme. FPGAs sind grundsätzlich parallel. Grafische Programmierung ist ein Ansatz, um FPGAs zu programmieren. 77 NI ermöglicht jedem den Einsatz von FPGAs Prozessor FPGA Verschiedene modulare I/O für beliebige Signale LabVIEW: Ermöglicht Systemintegration, Programmierung und die Schnittstellen zu Host, FPGA und I/O Host + FPGA + I/O + LabVIEW: Diese Architektur bezeichnet NI als rekonfigurierbare I/O, kurz RIO 78 36

37 Grafische Programmierung und Abstraktion Zähler Analog-I/O I/O mit DMA LabVIEW FPGA VHDL 66 Seiten, ca Zeilen 79 Die Plattform der NI-RIO-Technologie Anwendungs-IP Signalverarbeitungs-IP Steuerungs-IP IP von Drittanbietern NI LabVIEW LabVIEW Real-Time LabVIEW FPGA Middleware Treiber-APIs Gerätetreiber I/O-Treiber Prozessor FPGA I/O I/O Custom I/O NI CompactRIO & NI Single-Board RIO PXI/PC-RIO Kostenoptimiert Kostenoptimiert Max. Robustheit Leistungsstark Max. Leistung 80 37

38 Die Hardware der NI-RIO-Plattform im Überblick NI CompactRIO & NI Single-Board RIO PXI/PC-RIO (R-Serie, FlexRIO) Kostenoptimiert Max. Robustheit Leistungsstark Max. Leistung RIO-Erweiterungschassis Ethernet RIO EtherCAT RIO MXI-Express RIO 81 Die Hardware der NI-RIO-Plattform im Überblick NI CompactRIO & NI Single-Board RIO PXI/PC-RIO (R-Serie, FlexRIO) Kostenoptimiert Max. Robustheit Leistungsstark Max. Leistung RIO-Erweiterungschassis Ethernet RIO EtherCAT RIO MXI-Express RIO 82 38

39 NEU Module der C-Serie für CompactRIO Mehr Funktionalität für CompactRIO Multifunktion NI 9381 Multifunktions-Modul für General- Purpose Anwendungen: 8 analoge Eingänge, 8 analoge Ausgänge mit 20 ks/s (aggregiert), 4 digitale LVTTL Leitungen mit 1 MHz Update-Rate Schnittstellen NI 9467 GPS Zeitsynchronisationsmodul für stationäre Anwendungen NI 9881 High-Speed-Modul für die Entwicklung von CANopen-Anwendungen NI 9882 High-Speed-Modul für die Entwicklung von DeviceNet-Anwendungen 83 NEU Multicore-CompactRIO Das leistungsstärkste CompactRIO USB- und serielle Anschlüsse 1,33-GHz-Dual-Core- Prozessor Spartan-6 LX150 FPGA CPU- Erweiterungsmodul VGA für direkte Visualisierung MXI-Express für I/O-Erweiterung Gigabit Ethernet 8 Steckplätze für I/O- Module der C-Serie 84 39

40 NI-Single-Board-RIO-Hardwareplattform LabVIEW Grafische Software für schnelle Entwicklung Prozessor, FPGA und I/O mit einem Tool programmieren Bestehenden C/VHDL- Code integrieren Rekonfigurierbarer FPGA RIO Mezzanine Connector (RMC) Echtzeitprozessor 3.8 Netzwerkanbindung/Peripherie x 9.6 cm 9-30 VDC 86 NEU - Multifunction I/O NI Single-Board RIO 400 MHz Echtzeitprozessor cm Spartan-6 LX45 FPGA 16 Analog In 4 Analog Out 4 Digital I/O cm 26 Digital I/O RS MB RAM RS232 SD CAN USB Ethernet RS MB Flash 87 40

41 Die Hardware der NI-RIO-Plattform im Überblick NI CompactRIO & NI Single-Board RIO PXI/PC-RIO (R-Serie, FlexRIO) Kostenoptimiert Max. Robustheit Leistungsstark Max. Leistung RIO-Erweiterungschassis Ethernet RIO EtherCAT RIO MXI-Express RIO 88 Erweiterung der Plattform für hohe Kanalanzahl MXI-Express (915x) Max. Leistung Daten-Streaming Lokale Steuer- u. Regelung EtherCAT (9144) Verteilt Synchronisiert Einzelwertverarbeitung Ethernet (914x) Flexibel Erweiterung für bestehende Netzwerke 89 41

42 NEU Erweiterungschassis für crio MXI-Express RIO NI Steckplätze Virtex 5(LX 50) 250 MB/s Übertragungsrate 7 m zwischen den Knoten Ethernet RIO NI Steckplätze Spartan 6 (LX45) 100 Mb/s Übertragungsrate 100 m ohne Repeater 90 Die Hardware der NI-RIO-Plattform im Überblick NI CompactRIO & NI Single-Board RIO PXI/PC-RIO (R-Serie, FlexRIO) Kostenoptimiert Max. Robustheit Leistungsstark Max. Leistung RIO-Erweiterungschassis Ethernet RIO EtherCAT RIO MXI-Express RIO 91 42

43 PXI Der Standard der Mess- und Prüftechnik Hauptkomponenten eines PXI-Systems PXI-Controller Embedded-PC Remote-PC PXI-Chassis Lüftung Versorgung PXI-Backplane PCI- bzw. PCI-Express-Bus Synchronisation/Timing Steckplätze für PXI(e)-Module 92 Multifunktionsdatenerfassung MIO Architektur mit vordefinierten I/O, ASIC-basierte Datenerfassung MIO-Datenerfassungskarte der X-Serie für PXI/PXI Express Host-PC Multifunktions- I/O Anbindung System- Timing & Steuerung NI STC3 DAQ ASIC PXI-Buskomm. DMA, Interrupt, PXI(e)-Trigger P2P-Streaming Vordefinierte Hardwarearchitektur ASIC-IP Host-VI 93 43

44 Rekonfigurierbare Datenerfassung RIO Architektur mit vordefinierten I/O, FPGA-basierte Datenerfassung FPGA-Karte der R-Serie für PXI/PXI Express Host-PC Multifunktions- I/O Anbindung FPGA-VI (LabVIEW-FPGA-Code) Virtex-5- FPGA PXI-Buskomm. + Board IP DMA, Interrupt, PXI(e)-Trigger P2P-Streaming Vordefinierte Hardwarearchitektur FPGA-VI Host-VI 94 Rekonfigurierbare Datenerfassung FlexRIO Architektur mit vollständig benutzerdefinierbaren I/O, FPGA-basierte Datenerfassung FlexRIO-Adaptermodul (FAM) FlexRIO-FPGA- Karte für PXI und PXI Express Host-PC I/O-Modulmanager Anwendungsspezifische Front-end- Schaltung Anbindung Steuerung GPIO I/O-Modul, Socketed- CLIP + User-CLIP + FPGA-VI Virtex-5- FPGA PXI-Buskomm. + Board IP DMA, Interrupt, PXI(e)-Trigger P2P-Streaming I/O-Modul CLIP-HDL FPGA-VI Host-VI 95 44

45 Rekonfigurierbare Datenerfassung FlexRIO Architektur mit vollständig benutzerdefinierbaren I/O, FPGA-basierte Datenerfassung FlexRIO-Adaptermodul (FAM) FlexRIO-FPGA- Karte für PXI/PXI Express Host-PC DMA, Interrupt, PXI(e)-Trigger P2P-Streaming I/O-Modul CLIP-HDL FPGA-VI Host-VI 96 Einige NI-FlexRIO-Adaptermodule im Überblick 97 45

46 Kurve der NI-RIO-Technologie Leistungsstark PXI RIO/NI FlexRIO Prozessor FPGA I/O I/O I/O Custom I/O PC RIO/R-Serie NEU Multicore CompactRIO Hohe Stückzahlen NEU NI CompactRIO NI Single-Board RIO 98 Industrieweit erster Vektorsignal-Transceiver (VST) Vektorsignalanalysator (VSA) und - generator (VSG) kombiniert in einem Gerät Frequenzbereich von 65 MHz - 6 GHz, 80 MHz Bandbreite Digitale I/O zur DUT-Steuerung Offener, anwenderprogrammierbarer Virtex-6-FPGA von Xilinx Erstes vollständig softwaredesigntes Messgerät 99 46

47 LabVIEW-Anwendertreffen Hardware in the Loop Prüfstand zur Auslegung von Wärmerückgewinnungssystemen im PKW mit Veristand Aachen, 22. November 2012 Dipl.-Ing. Jörg Küfen Dipl.-Ing. Thomas Lichius Dipl.-Ing. Axel Barkow Institut für Kraftfahrzeuge RWTH Aachen University Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen mbh Aachen #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved Agenda Ausgangssituation Zielsetzung Auslegung Wärmerückgewinnungssystem mit einem HiL Aufgabe Veristand #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved 47

48 Ausgangssituation 1D Energetic Geringe Menge an Abwärme im elektrischen Fahrbetrieb (stark abhängig vom Betriebspunkt des E-Motors). Q Hoher Wärmebedarf zur Temperierung des Fahrgastzelle sowie der Traktionsbatterie. FEM CAD CFD Q Elektrische Zusatzheizer (PTC) E el. Bed. Reduzierung der Reichweite im rein elektrischen Fahrbetrieb E el. Trak. #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved Agenda Ausgangssituation Zielsetzung Auslegung Wärmerückgewinnungssystem mit einem HiL Aufgabe Veristand #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved 48

49 cycle speed actual speed [m/s] desired speed [m/s] Driver M_demand [Nm] ControlAuxiliaries DriverEnvironment Energy Manager_out w_em [rad/s] Bus_in_Climatisation Energy Manager_in Control_Auxiliary EnergyManager PowerTrain M_demand [Nm] Bus_in_PE_EM_Bat Bus_to_climatisation Bus_in_Climatisation T_ambient [K] w_motor [rad/s] M_Motor [Nm] Bus_out_BAT_EM_LE Bus_To_Climatisation T_ambient Constant T_ambient M_motor [Nm] w_wheels [rad/s] Transmission (mapped loss) M_driv etrain [Nm] J_driv etrain [kgm^2] w_motor [rad/s] <F_brake> Bus_in_PE_EM_Bat Bus_in_Climatisation Energy Manager_in v _soll [m/s] v _ist [m/s] DATA M_driv etrain [Nm] J_driv etrain [kgm^2] Fbrake [N] Vehicle v [m/s] w_wheels [rad/s] 12/18/2012 Abgeleitete Zielsetzung qopt Entwicklung und Demonstration eines Latentwärmespeichers in Kombination mit einer intelligenten Betriebsstrategie für elektrifizierte Fahrzeuge mit dem Ziel der Reichweitensteigerung durch die Reduzierung des Einsatzes von elektrischen Zusatzheizern für bspw. Komponenten- oder Fahrgastzellentemperierung qopt - Optimierter Betrieb von Latentwärmespeichern in Elektrofahrzeugen #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved Agenda Ausgangssituation Zielsetzung Auslegung Wärmerückgewinnungssystem mit einem HiL Aufgabe Veristand #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved 49

50 Vorgehen beim Auslegen des Latentwärmespeichers Simulative Auslegung Validierung am Prüfstand Prototypenbau #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved qopt Kühlsystem Referenzfahrzeug Bestimmung der thermischen Anforderungen eines Latentwärmespeicher mittels dynamischer 1-D Simulationen ganzheitliches Fahrzeugmodell Ermittlung der Verfügbaren Abwärme Berücksichtigung der Integrationsarchitektur Erkenntnisgewinn für Konstruktion des Prototypens Ableitung einer wärmegetriebenen Betriebsstrategie #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved 50

51 Temperatur [ C] Leistung [kw] 12/18/2012 qopt - Entwicklung des Wärmespeicher und Regelung mittels HiL Physikalische Modellierung mit Dymola Verlustleistung Motorleistung Zeit [min] Kühlkanalaustrittstemperatur (Messung) Kühlkanalaustrittstemperatur (Simulation) Lastprofil: NEDC #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr Zeit [min] ika 2012 All rights reserved qopt - Entwicklung des Wärmespeicher und Regelung mittels HiL Simulierte Umgebung/Realität Reale Hardware Ziele HiL: Vermessung verschiedener LWS- Prototypen unter quasi realen Bedingungen Architektur/Packagetests und Untersuchung der Auswirkungen auf das reale Bauteil / Fahrzeug Test der Betriebsstrategie #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved 51

52 Agenda Ausgangssituation Zielsetzung Auslegung Wärmerückgewinnungssystem mit einem HiL Aufgabe Veristand #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved Hardware in the Loop Prüfstand Zielsetzung Aufbau einer einheitlichen HiL Plattform zum Zwecke von Komponententests und Komponentenauslegung Auslegung, Test und Validierung der Betriebsstrategie Steuerung des Betriebs der Prüfstandskomponenten Verfügbar Modelica/Dymola Modell für die Simulation des Fahrzeugs Simulink Modell für die Regelung des Prüfstands/des Prüflings Benötigt Geeignete Hardware zur Ansteuerung der Prüfstandskomponenten Teils diskrete Leitungen, teils Bussysteme Geeignete Software zur Verknüpfung aller Elemente Problem Kopplung verschiedener Plattformen: heterogenes Gesamtgefüge #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved 52

53 Hardware in the Loop Prüfstand Zielsetzung Anforderungen Kopplung unterschiedlicher Simulationsumgebungen Simulink Modelica Unterstützung bei automatisierten Ausführung von Testsequenzen Echtzeitfähiges Verhalten Hohe Leistungsfähigkeit Komplexe Modelle (Fahrzeugmodell, Betriebsstrategie) Hohe Ausführfrequenz (bis zu 2kHz) Hohe Reproduzierbarkeit der Systemanregung Varianz kleiner 2ms Leistungsfähige, zeitgenaue Datenaufzeichnung Synchron zur Systemanregung Über 200 Messsignale Veristand #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved Hardware in the Loop Prüfstand Veristand Unterstützt echtzeitfähige Hardwarekomponenten Erlaubt die Einbindung von Simulationsmodellen (verschiedene Typen) mit dem NI Simulation Interface Nativ bereits unterstützt: Simulink Mit Hilfe eines Plugins*: Modelica/Dymola Unterstützt eine Vielzahl von Hardwarekomponenten Bussysteme IO-Module Programmierbare Hardwaremodule (FPGA) Bietet eine Vielzahl von Automatisierungsmöglichkeiten über eine offene Schnittstelle Einfache Möglichkeit der Visualisierung und Steuerung von Daten Veristand das geeignete Werkzeug zur Kopplung im vorliegendem Fall! *FMI Add-On von DofWare Benötigt Modelisar konformen Modelexport #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved 53

54 Hardware Schnittstelle (Diskret/Bussysteme) Konditionierung 12/18/2012 Hardware in the Loop Prüfstand Aufbau Systemstruktur Prüfstand Matlab Model VeriStand Dymola Model Prüfstandssteuerung/- überwachung DUT Automatisierungssteuerung/ Systemvalidierung* *zusätzlich entwickelte, proprietäre Anwendungen #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved Hardware in the Loop Prüfstand Aufbau Aktueller Hardwareaufbau #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved 54

55 Hardware in the Loop Prüfstand Automatische Validierung mit Veristand (1) Automatisierte Ausführung von Testsequenzen von Veristand unterstützt Definition eines Testablaus, zeitgenaue Wiedergabe Kann definierte Signale des Prüfstandsystems aufzeichnen Aber: Wie kommen wir zu einem validiertem Testbericht? Erweiterung der Automatisierung um unterstützende Prozesse MatLab: Signalvalidierung und Referenzdatengenerierung C#: Testberichterzeugung (als PDF) Aufnahmedateien und eine MySQL Datenbank zur Koordination #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved Hardware in the Loop Prüfstand Automatische Validierung mit Veristand (2) Ablage aller Testfälle in einer MySQL Datenbank Tests werden zunächst textuell beschrieben Jedem Teststep werden Beschreibungen und Instruktionen für den HiL hinterlegt Automatisierter Import der Testfälle #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved 55

56 Hardware in the Loop Prüfstand Automatische Validierung mit Veristand (3) Vergleich von Testdaten mit einmal generierten Referenzdaten erlauben das schnelle Erkennen von Übereinstimmung/Abweichungen im Verhalten #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved Hardware in the Loop Prüfstand Gut -Tests / Schlecht -Tests (1) HiL Systemaufbau erlaubt in geeignet für Test des Regelverhaltens Modell verhält sich immer ungestört (ideales System) Nur Gut -Fälle erfassbar (etwa 25% aller Testfälle) Zukünftiger HiL Systemaufbau soll Testabdeckung verbessern Anregung von Schlecht -Fällen notwendig (nicht ideales System) Nötige Erweiterungen Simulation oder Einprägung von Anregungen für den Prüfling, die nicht den regelbetrieb wiederspiegeln Degeneration/Modifikation des dem Prüfling zugeführten idealen Verhaltens zu einem nicht-idealen Verhalten ( Fehlerverhalten ) #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved 56

57 Hardware in the Loop Prüfstand Gut -Tests / Schlecht -Tests (2) VeriStand Simulationsmodell CAN BUS Quelle Signalpfad Gut -Simulation Senke Signalpfad Analog & Digital Diskrete Leitung DUT I/O #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved Hardware in the Loop Prüfstand Gut -Tests / Schlecht -Tests (3) VeriStand Zustellungssteuerung (physikalisch & logisch) Steuerung Busverhalten Steuerung Leitung Simulationsmodell Modifikationssteuerung CAN BUS Boolean Quelle Signalpfad Boolean Gut -Simulation Unterbrechung des regulären Signalpfads Analog Diskret DUT & Senke Signalpfad Digital I/O Keine Betrachtung des Rückwärtigen Zustellungssteuerung Pfades, da Simulationsmodell nicht (physikalisch) validiert wird; Model berücksichtigt keine fehlerhaften DUT Eingaben! Steuerung Leitung #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved 57

58 Hardware in the Loop Prüfstand Ausblick In den vergangenen Monaten alle notwendigen Erfahrungen gesammelt Alle wichtige Aspekte getestet Einbinden von Modellen Testmodellierung Datenaufzeichnung Datenaufbereitung Prozesskopplungen einzeln und teilweise schon im Verbund getestet Zuversichtlich was die Integration des Gesamttestsystems Betrifft Aufbau des eigentlichen Thermoprüfstandes Ausbau der Testfunktionalitäten Zusätzliche Schlecht -Fall Tests #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved Kontakt Dipl.-Ing. Jörg Küfen Institut für Kraftfahrzeuge RWTH Aachen University Steinbachstraße Aachen Germany Telefon Fax xxxxx Internet #12xxxx 12xxxxxx.pptx Folie Nr ika 2012 All rights reserved 58

59 Mittagspause Verteilte Systeme Was bedeutet SMART What NI will do for Smart Grid? Saso Veskovski, Business Segement Manager Energy Germany 59

60 Oil & Gas -> Fracing Pumpers Data Van 12 6 NI Mission Statement We create innovative computer-based products that improve everyday life. We give our customers a better solution for measuring and automating the world around them

61 Agenda Wie sehen Verteilte Systeme im Energiebereich aus Was ist Smart / Was sind Anforderungen am System Was versteht NI unter Verteilte Smarte Systeme 12 8 Traditional Power Systems Grundlegend sah die Vergangenheit so aus :

62 Limits of the Existing Grid Reliability Slow response times of mechanical switches Lack of automated analytics and situational awareness Security Domino effect due to centralized infrastructure Unable to fully utilize renewable energy 13 0 What is happening More renewable energy Integration problem and mix of different systems Growing demand for electricity Population growth, bigger, complex system Aging infrastructure Centralized for more than 50 years More nonlinear load Additional losses and low efficiency Global warming 50% electricity is produced by coal

63 Wie sieht das System in der Zukunft aus? KOMPLEXER 13 2 Smart Grid in Daily Life Consumer participation Accommodate generation options High quality power Green

64 Smart Grid Not a Single Entity Electric Delivery Network - Integrated with the latest advances in digital and information technology from electrical generation to the end use customer 13 4 NI Mission Statement We create innovative computer-based products that improve everyday life. We give our customers a better solution for measuring and automating the world around them

65 Agenda Wie sehen verteilte Systeme im Energiebereich aus Was ist Smart / Anforderungen am System Was versteht NI unter verteilten, smarten System Zukunftssicherheit? 13 6 Beispiel / Pilot-Projekt aus Amerika Grid (Netz)-Automation Lachen erlaubt die haben ja ständig irgendwelche Black Outs Ein Beispiel aus einem der 5 großen amerikanischen Netzen

66 Who is CenterPoint? Early predecessor, Houston Electric Lighting and Power founded in rd Power and Gas Utility in the US Operates 8,200 miles of gas pipelines to 3.2M Customers in six US States Operates Distribution lines to 2.1M Customers on Texas Gulf Total Employees: 8,810 Revenues of $8.2B Net Profit Margin: 4.5% (Industry Average 8-10%) 13 8 Advanced Smart Switch CenterPoint s Vision and Project Goal Vision To be recognized as America s leading energy delivery company Project Goal To modernize and install smart/intelligent reclosers and sectionalizer on distribution grid (more then 4000 Units) o Faster fault identification o Automatic fault isolation o Real-time grid health monitoring Houston, TX - USA

67 Was Sind Recloser/Sectionalizer 14 0 Players Project Leader and Sponsor Switch, and Recloser Suppliers Controller and Power Quality Supplier

68 Requirements for the Recloser Are integrated by National Instruments & Center Point together Detection for fault situations Control and Monitoring Functions Phase Fault Protection Proprietary Programming Software EF Protection Sectionaliser Control SEF Protection User selectable language Protection Block Boolean logic or using symbols Local / Remote Virtual Inputs/Outputs for logic Alternate Settings groups Front Panel Programmable Operations Counter Battery test procedure 27/59 Under/overvoltage Battery voltage monitoring 27/59 Sag/swell - Power Quality Counters Sectionaliser failure 37 Undercurrent 46BC Broken conductor/load unbalance Metering 46NPS Negative phase sequence overcurrent operational metering, no billing 47NPS Negative phase sequence overvoltage Real and Reactive power metering per phase/total/directional 49 Thermal overload - Pole Segregated Demand Currents (A, B, C) 50BF Circuit breaker / recloser fail Instantaneous Currents (A, B, C) 51V Voltage controlled overcurrent Instantaneous Voltage 59N Neutral voltage displacement Instantaneous Freqency 60CTS CT supervision Harmonics (per phase) 60VTS VT supervision Power Factor 67/50 Directional instantaneous phase fault overcurrent Adjustable Demand Interval for Demands 67/50G Directional Instantaneous earth fault Power and Current Alarms 67/51 Directional Time delayed phase fault overcurrent Load Profile Recorder 67/51G Directional Time delayed earth fault Event Recorder (Minumum Events) 67/50SEF Directional instantaneous sensitive earth fault Waveform Oscillography (samples per cycle) 67/51SEF Directional time delayed sensitive earth fault 74TCS Trip circuit supervision Communications (ports and protocols) 64H High Impedance Restricted Earth Fault Number of Communications Ports 79 Autoreclose GSM Sequence Coordination RJ45 Ethernet Port 81 Under/overfrequency Fiber Comm Port 81HBL2 Inrush restraint - Second Harmonic Block RS485 Ports 86 Lockout RS232 Ports 51C Cold load pickup USB DNP3 Protocol Modbus Protocol IEC Protocol IEC Protocol IEC Protocol TCP/IP IEC Advanced Smart Distribution Switch Advanced analytics for distribution automation Development and introduction of advanced switching features Embedded electrical power measurements and monitoring Wireless communication for configuration and file transfer Remote updates, configuration and firmware upgrades Distribution Switch Rated Through 38kV Vacuum Interruption Technology Integrated CTs & Voltage Sensors Optional future upgrades ANSI / IEEE C phase protection Analytics (NI Smart Grid Analyzer) 833 Samples/Cycle, 24-bit Resolution Advanced Embedded Analytics Data Storage, event captures Remote upgrade Multi Protocol Communications

69 NI SmartGrid Analyzer High Performance Platform crio-9025, crio-9118, NI 9225, NI 9227 High Speed Data Acquisition up to 833 S/Cycle High Fidelity ADCs with 24bits and Filtering Capabilities Scalable I/O Expandable and Remote Firmware Upgrade Multi ports and Multi Protocols for Communication Advanced Embedded Analytics and Storage Capabilities High Performance Real Time Processor and programmable FPGA & LV-Software zugeschnitten für crio die folgendes bietet: Standard electrical power measurements Incl. standard communication protocols Und eine skalierbare Software-Architektur 14 4 NI SGA, Multifunctional Instrumentation for EPM in T&D Applications Power Quality Analyzer IEC Flicker Meter - EN / IEC PMU IEEE C (optional) Transient Analysis 512 S/cycle Energy Metering and Power Flow Monitoring Control, Alarming, and Recording Features Reconfigurable Real-Time Processor Multi-port & multi-protocol communication DNP3.0, Modbus RTU, and IEC & GPS 1us time stamp resolution (optional) 24 bits resolution 4GB Storage built-in

70 Advanced Switch System Diagram Operations Workstation Operations Workstation LabVIEW Application Operations Server Engineering Workstation Engineering Workstation Status & Controls DNP 3.0 and (Future) Analytic and non-operational Data SSL NI SGA NI SGA NI SGA 14 6 Players Project Leader and Sponsor Switch, and Recloser Suppliers Controller and Power Quality Supplier

71 Electric Distribution 14 8 Data Concentrator Units Installation Plan

72 Was versteht NI unter Verteilte Smarte Systeme z.b. Intelligente Knoten im Netz (Grid) Natürlich reden wir von Mess & Steuerknoten Offene Systeme Erweiterbar Frei Programmierbar o Von Netzbetreiber / Spezialisten Zukunftssicher Etc Ein weiteres Beispiel: PMU = Phasor Measurement Unit device that provides synchrophasor and frequency measurements for one or more three phase AC voltage or current waveform NASPI Defined by IEEE Standards (Publication planned for Jul/2011) Measurement: C Communication: C and IEC Installation and Calibration: C Challenges Visualization Tools Data stream reliability and storage Interoperability Documentation and Training

73 Synchrophasor 15 2 What does the data tell us? Source: NERC RAPIR TF Draft Report

74 Data Visualization 15 Source: NERC RAPIR 4 TF Draft Report Typical PMU Installation & Configuration

75 Statnett WAMS R&D Software Continuous reception and storage of wide area PMU data 13 PMU s in three countries: 5 in Norway, 4 in Finland and 4 in Sweden Data made available for monitoring and later analysis Event detection on frequency quality Software installed at TSO Sweden High resolution live view of power system status Simulation of recorded events 3 TB of PMU data history (2-3 years) Power oscillation detection

76 PMU-01(Location:Selam) RJ-45,UTP V0.35 I/F 30 mtr CAT-5 cable V0.35 to Ethernet converter PMU-02Location:Hydrabad) V0.35 I/F RJ-45,UTP Operator Station PDC Server Application PMU-03 (Location:, Bangalore) V0.35 I/F 350 mtr F.O GPS PDC Simulator 12/18/2012 Application Area - Power - Transmission Line Monitoring NI India Communication room W AM S Architecture: Demo project 15 SRLDC Bangalor e Control room Servers(com & App) Switch-02 (8 port Gigabit D-LINK) Mux Mux Mux Switch-01 (8 port Gigabit D-LINK) ULDC Networ k(e1 networ k) Mux Mux Mux Bus PT,Line CT Bus PT,Line CT Bus PT,Line CT PMUs for wide area monitoring Project based on crio Platform, 700+ deployments by Projekte und Produkte Basierend auf z.b. auf crio Power Quality Analyzer IEC Flicker Meter - EN / IEC Harmonics Meters and Analyser PMU IEEE C (optional) Transient Analysis 512 S/cycle Energy Metering and Power Flow Monitoring Control, Alarming, and Recording Etc

77 Windfarm Monitoring Vestas Technology 16 0 PV Power Plant Monitoring&Control Implementation of 300 Power Plants = 2400 MW in 2010/11 Total=~1800 RIO Systems!

78 PV Power Plant Monitoring&Control + Implementation of 300 Power Plants = 2400 MW in 2010/11 Total=~1800 RIO Systems! Central Monitoring & Control 16 2 PV Parkregelung / Einspeisemanagment zur Umsetzung der Anforderungen von VDE, BDEW & EEG Wirkleistungsreduzierung, Blindleistungsregelung, cos(φ) Netzeinspeisemanagement je nach EVU-Anforderung Kontinuierliche Istwert-Messung am Übergabepunkt für Regelung (optional) Parkregelung

79 Das System wird immer KOMPLEXER Lockheed Martin Microgrid Complexity

80 System Flexibility and Price 12/18/2012 RIO-Deployment Platform I/O I/O PXI RIO Processor FPGA I/O Custom I/O PCI RIO CompactRIO CompactRIO Integrated Single-Board RIO Number of Systems Deployed sbrio 2.0 Zync level 16 6 Application Area - Power - Residential Fuel Cell Control Custom daughter (I/O) daughter board developed by NI R&D for GSFC Standard sbrio (Half Moon) Product Project based on sbrio, 10,000units/year start 2013 Development completed in less than one year

81 Was versteht NI unter Verteilte Smarte Systeme z.b. Intelligente Knoten im Netz (Grid) Natürlich reden wir von Mess & Steuerknoten Offene Systeme Erweiterbar Frei Programmierbar o Von Netzbetreiber / Spezialisten Zukunftssicher Etc Flexibilität durch Software National Instruments Fokus in Energie-Applikationen Support von Standard-Kommunikationsprotokollen o IEC und 104 & IEC In Entwicklung o IEC in Entwicklung; Beta verfügbar. Offizielle Toolkits August 2012 o DNP 3.0 verfügbar) o Modbus o & weitere o Maximum Flexibilität durch Remote-Software-Implementation Energy - Focused Functions o Energy Toolkit o Specific Software functions like Recloser or Phasor-Measurments

82 Smart IO s und RIO-Platform Vorteil Portierbarkeit RIO ist eine Technologie-Sturktur o Unter PXI, Compact RIO, Singel-Board RIO und in NEW Controller- Architekturen o Optimiert für Rapit-Prototyping bis zum Embedded Board-Design o Maximum an Code-Compatibility o Perfekte Struktur für Smart-Solutions 17 0 Haben Sie noch Fragen

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