Eiskalt wie im Weltraum

James Dean war im Rahmen der hier beschriebenen Systemumstellung Controls + Instrumentation Engineer bei dem Ingenieur-Dienstleister Jacobs Technology.

Immerhin noch 10,7 m breit und 13,1 m hoch ist die Thermal-Vakuum-Kammer B im Johnson Space Center (JSC) der NASA in Houston, Texas. In der Kammer können Menschen unter Bedingungen arbeiten, wie sie im Weltraum anzutreffen sind – bei Temperaturen um -180 °C und extrem kleinen Drücken um 10-9 bar. Einst wurde hier getestet, wie Astronauten beim Start beschädigte Hitzekacheln des Space Shuttles reparieren können. Obwohl Kammer B die ‚kleinere‘ von zwei Thermal-Vakuum-Kammern im JSC ist, ist sie nicht minder kompliziert aufgebaut: Neben zwei Schleusen für den leichten Zutritt lässt sich etwa der Deckel abnehmen, um auch größere Objekte in der Kammer testen zu können. Und eine seitlich verlaufende Fahrschiene ermöglicht jeweils einem Besatzungsmitglied eine Gewichtsentlastung – um die Simulation der Weltraumbedingungen weiter zu verbessern. All das macht aber die Installation der Messesysteme, vor allem für Temperatur und Druck, nicht einfacher.

In den Wänden der Kammer ist ein mit Stickstoff arbeitendes Kühlsystem integriert, um die extrem niedrigen Temperaturen zu erreichen. Rund um die Kammer wird mit Thermoelementen die Temperatur in der Kammer gemessen und kontrolliert, ob das Kühlsystem ordnungsgemäß arbeitet. Hinzu kommen Druck- und Durchflussmessungen – in der Summe sind über 500 analoge Signale zu erfassen, der Großteil davon von den Thermoelementen stammend. Datenerfassungssysteme mit einer solch hohen Kanalzahl fordern die Messtechniker zusätzlich – denn die Messungen müssen nicht nur sehr genau sein, sondern alle Daten sind an einem zentralen Ort sowohl aufzuzeichnen als auch darzustellen.

Als das alte Messsystem aufgrund von Reparatur- und Wartungsmaßnahmen immer kostspieliger wurde, suchte die NASA nach einer neuen Lösung, die zudem so flexibel sein sollte, auch den Anforderungen zukünftiger Tests zu genügen. Schwierigkeiten gab es auch mit einer benutzerspezifischen OPC-Schnittstelle, die für Windows NT erstellt worden und damit nicht flexibel genug war, um weitere Systeme oder Funktionen hinzuzufügen. Hinzu kam ein zentrales Problem: Um bei den Temperaturmessungen die gewünschte Genauigkeit von ±3 °F zu erzielen, mussten alle Thermoelemente zuvor in einen zentralen Referenzofen mit einer stabilen Temperatur gebracht werden – erst dann ließen sich ihre Daten nutzen.

Die NASA entschied sich schließlich für die SC-Express- und PXI-Hardware von National Instruments (NI). Das neue Datenerfassungssystem besteht aus mehreren Chassis des Typs NI PXIe-1075, den Thermoelementeingangsmodulen NI PXIe-4353 und einem Timing-Modul des Typs NI PXI-6682H für die Synchronisation (Details dazu folgen weiter unten). Jedes der NI-PXIe-4353-Module kann Signale von 32 Thermoelementen erfassen – so dass das gesamte System heute die Informationen von über 1500 Thermoelementen verarbeiten kann.

Noch wichtiger aber ist: Die NASA kann mit dem NI-System – auf Basis einsatzfertiger Standardhardware – auf benutzerspezifische Ausrüstung für die Signalkonditionierung wie den zentralen Referenzofen verzichten. Da damit auch die Notwendigkeit für die Anbindung über dessen zentralen Standort entfällt, sinkt nicht nur der Verdrahtungsaufwand, sondern es kann nun ein breiter verteiltes System erstellt werden.

Auch wenn das System hauptsächlich Daten der Thermoelemente erfasst, ist für die NASA ein hoher Synchronisationsgrad zwischen den Messungen wichtig, um auch die Anforderungen von Hochgeschwindigkeitsmessungen zu erfüllen. Dazu wird ein Zeitsignal gemäß IEEE 1588 an jedes der PXI-6682H-Module des Systems übertragen. Es ermöglicht eine präzise Synchronisation mit geringem Konfigurationsaufwand. Jedem PXI-6682H-Modul wird eine IP-Adresse im Timing-Subnetz zugewiesen, deren Priorität festgelegt ist, so dass das Modul die Zeitquelle als Mastertakt erkennt und synchronisiert. Ab diesem Punkt werden die Konfiguration und das Handshaking von den Geräten übernommen, weshalb eine weitere Konfiguration nicht erforderlich ist. Jetzt wird jedes PXI-6682H-Modul so eingestellt, dass es den 10-MHz-Takt über die PXI-Backplane als Erfassungstakt für alle Module im System vorgibt. Dank dieser Architektur kann eine Synchronisation innerhalb von 100 µs selbst zwischen Kanälen erfolgen, die sich in separaten PXI-Chassis befinden, die viele Meter auseinander liegen. Zudem bietet der Zeitserver gemäß IEEE 1588 eine einfache Synchronisation mit IEEE-1588-konformen Steuer- und Regelsystemen und den OPC-Clients, so dass das gesamte System über eine konsistente Zeitbasis für die Erfassung, Darstellung und Aufzeichnung aller Daten verfügt.

Für das System der Kammer B müssen während der Tests alle Daten in Echtzeit im Kontrollzentrum sichtbar sein, zusätzlich müssen sie in einer zentralen Datenbank festgehalten und Sicherungskopien auf jedem PXI-System erstellt werden. Zum Einsatz kam hier früher die benutzerspezifische Schnittstelle für die Kommunikation mit einem OPC-Client von Iconics. Da diese OPC-Schnittstelle allerdings vor mehr als zehn Jahren für Windows NT geschrieben wurde, führte das bei Upgrades auf neuere Windows-Versionen zu einem entsprechenden Mehraufwand. Aufgrund des OPC-Supports von NI LabView gestaltete sich aber auch hier die Entwicklung der OPC-Serverschnittstelle zum Datenerfassungsprogramm einfach; im Ergebnis lassen sich damit nun Änderungen in der Datenserverumgebung leichter handhaben. Alle PXI-basierten OPC-Server stellen dem Iconics-Client Daten zur Verfügung. Diese werden im Kontrollraum gesichtet und in einer SQL-Datenbank festgehalten. Durch lokales Datenloggen auf jedem PXI-System mit einer höheren Geschwindigkeit als Backup wird noch mehr Zuverlässigkeit erreicht.

Bei großen Einrichtungen wie der NASA kann die effektive Wiederverwendung von Hard- und Software zu weitreichenden Effizienzsteigerungen führen. So entstammt beispielsweise die Datensystemsoftware der Kammer B dem LabView-System, das für die größere Kammer A entwickelt wurde. Bei dieser benutzerspezifischen Codebibliothek und Standardarchitektur ist es leicht möglich, das System um zusätzliche Kanäle für den kurz- oder langfristigen Einsatz zu erweitern. Neue und ergänzende Systeme können schnell auf jeder von NI-DAQmx unterstützten Hardware entwickelt werden. Werden die Synchronisationsverfahren nach IEEE 1588 und das Modul PXI-6682H eingesetzt, lassen sich die zusätzlichen Kanäle zudem leicht mit dem übrigen Steuer- und Datensystem synchronisieren. Außerdem sorgt die OPC-Fähigkeit dafür, dass Daten sofort auf jedem beliebigen OPC-Client im Testnetzwerk verfügbar sind.

Übertreffen etwa die Anforderungen der Kammer A die Kanalanzahl des derzeitigen Systems, können die Ingenieure die PXI-Systeme von Kammer B in Kammer A transportieren. Das an den Tests beteiligte Personal wählt einfach eine Konfigurationsdatenbankdatei aus, lädt sie über ein speziell entwickeltes LabView-Konfigurationsdienstprogramm in den NI Measurement Automation Explorer (MAX) und beginnt mit der Datenerfassung. Zur alten Konfiguration gelangt man über erneutes Laden der vorherigen Konfigurationsdatei. Dann ist das Datenerfassungssystem wieder bereit, die Arbeit in Kammer B erneut aufzunehmen.

In der Summe erfüllt heute das aus PXI und SC Express bestehende System die strengen Genauigkeits- und Synchronisationsanforderungen der NASA. Die Software LabView ermöglicht dazu eine schnelle Entwicklung und zügigen Datenzugriff. Werden ältere Systeme aktualisiert oder eingestellt, lassen sich sowohl Hardware (PXI beziehungsweise SC Express) sowie die benutzerspezifischen Bibliotheken in ähnlicher Weise implementieren. Diese Konfiguration bildet deshalb eine Standardarchitektur für den zukünftigen Einsatz in allen Thermal- und Vakuum-Testeinrichtungen der NASA. co

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Mit über 20 Schaltmodulen wurde die PXI-Plattform für automatisierte Tests im vergangenen Jahr erweitert. Sie decken vielfältige Leistungsbereiche ab und die Anwender können damit von einer höheren Kanaldichte und einer höheren Bandbreite in ihren automatisierten Testanwendungen profitieren. Die Module machen es einfacher, Messgeräte und Schaltmodule in die gleiche Plattform zu integrieren.