Desarrollo de un sistema HiL para testeo de sistemas de control de

Desarrollo de un sistema HiL para testeo de sistemas de control de

Desarrollo de un sistema HiL para testeo de sistemas de control de velocidad en el ámbito
ferroviario
"El uso de las herramientas ofrecidas por National
Instruments para el desarrollo de sistemas de
control y monitorización facilita enormemente el
desarrollo de sistemas HiL. La posibilidad de
integrar parte del sistema en el módulo FPGA
disponible en la plataforma cRIO-9082, incrementa
las prestaciones ofrecidas, permitiendo cumplir los
requisitos de procesado inherentes a este tipo de
plataformas."
- Imanol Martinez, Ikerlan
El Reto:
Lea el Caso
Desarrollar un sistema Hardware-in-the-Loop (HIL) para el testeo de un sistema de odometría empleado en el sector ferroviario. El sistema a
desarrollar debe ser capaz de admitir código VHDL, modelo dinámico del tren, generado automáticamente por aplicaciones externas a LabVIEW así de Estudio
Completo
como responder con la dinámica necesaria para un sistema Real-Time.
La Solución:
Utilizar el sistema NI cRIO-9082 para el desarrollo del sistema HiL propuesto, dada la capacidad de integrar en un mismo sistema la potencia de
computación de una FPGA y la flexibilidad ofrecida por un procesador de propósito general. Utilizar LabVIEW como entorno de desarrollo gracias a
la facilidad ofrecida en la implementación de las diferentes funciones requeridas por el sistema.
Autor(es):
Imanol Martinez - Ikerlan
Carlos Fernando Nicol - Ikerlan
Introducción
ElEuropean Railway Traffic Management System (ERTMS) es una iniciativa de la Unión Europea para la definición de un estándar único de señalización
ferroviaria en toda Europa, donde el sistema de control embarcado, llamado European Train Control System (ETCS), es encargado de la protección
automática del tren. El controlador embarcado ETCS es un sistema embebido safety-critical (SIL-4) que mediante la supervisión de la velocidad y la
distancia recorrida protege el tren, activando el freno de emergencia o de servicio si las velocidades superan los límites autorizados.
Ikerlan, dentro de sus líneas de investigación, ha trabajado en el diseño de una plataforma de transporte, basándose en un sistema electrónico embebido
safety critical, cumplimentando los requisitos de las normativas ferroviarias de seguridad funcional EN-5012x derivadas de la IEC-61508 para un nivel de
integridad SIL-4. Esta plataforma electrónica es utilizada como soporte para la implementación del sistema odométrico definido en ERTMS. Dentro del
proyecto se ha planteado, como uno de los objetivos principales, el testeo, verificación y validación del sistema a través de un sistema HiL debido a la
imposibilidad de utilizar una infraestructura real de tren-vía.
Descripción del sistema
El sistema desarrollado está compuesto de 2 subsistemas, por un lado el System-Under-Test (SUT) y por otro el propio sistema de test. El SUT está
compuesto de tres nodos cada uno de los cuales dispone de un módulo de sensores. Cada módulo de sensores recibe información de cuatro sensores:
dos encoders de velocidad, un acelerómetro longitudinal y un radar. Mediante estos sensores, los nodos realizan el cálculo de la velocidad, comparando
los resultados entre ellos, y comprobando posibles anomalías en el sistema, llevando el tren a una parada segura en caso de detectarlas. El sistema de
test está compuesto por un módulo encargado de monitorizar los resultados, un generador de datos, encargado de estimular el SUT, y un controlador
que selecciona qué casos de test ejecutar. Por otra parte, se dispone del modelo de la planta, que es dividido en dos subsistemas: modelo del tren, y
modelo de la señalización de las vías.
Figura 1. Representación del system-under-test (SUT).
HiL en entorno LabVIEW
El objetivo ha sido integrar el entorno de test en una plataforma National Instruments cRIO-9082, esta plataforma dispone de un procesador de propósito
general así como de una FPGA de altas prestaciones. Para que el sistema de test pueda responder a las dinámicas exigidas por el SUT se han
clasificado los diferentes bloques dependiendo de los requisitos de tiempo demandados por la aplicación. El módulo de monitorización de resultados, así
como parte del generador de datos, se han empotrado en la CPU de la cRIO, gestionando de este modo las señales de tiempo real necesarias. Por otra
parte, el segundo módulo generador de datos, así como el controlador de tests se han desarrollado en una aplicación LabVIEW para PC ya que no
requieren características de tiempo real.
La planta, compuesta por el modelo dinámico del tren y el sistema de señalización de balizas sobre vía, ha sido empotrada en la FPGA de la cRIO de
modo que el rendimiento del test sea el más alto posible con características de tiempo real. Para ello, se ha integrado código VHDL generado
automáticamente por herramientas externas en bloques IP de LabVIEW FPGA.
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Figura 2. Diagrama de bloques del sistema de test desarrollado.
El intercambio de información entre el SUT y el sistema de test se ha solventado aprovechando las capacidades de comunicación ofrecidas por
LabVIEW. En el procesador del sistema cRIO se ha implementado un servidor UDP capaz de enviar y recibir tramas Ethernet. Por otro lado, la
comunicación entre el procesador cRIO y el sistema FPGA se ha desarrollado a través de canales DMA de alta velocidad y registros de almacenamiento.
Conclusiones
El uso de las herramientas ofrecidas por National Instruments para el desarrollo de sistemas de control y monitorización facilita enormemente el
desarrollo de sistemas HiL. La posibilidad de integrar parte del sistema en el módulo FPGA disponible en la plataforma cRIO-9082, incrementa las
prestaciones ofrecidas, permitiendo cumplir los requisitos de procesado inherentes a este tipo de plataformas. De igual modo, la flexibilidad que ofrece el
entorno de desarrollo al permitir la inclusión de código VHDL generado en herramientas externas a través de IPs independientes simplifica el flujo de
trabajo conjunto con herramientas de diseño basado en modelos.
Información del Autor:
Imanol Martinez
Ikerlan
Figura 1
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Figura 2
Legal
Este caso de estudio (este "caso de estudio") fue desarrollado por un cliente de National Instruments ("NI"). ESTE CASO DE ESTUDIO ES PROPORCIONADO
"COMO ES" SIN GARANTÍA DE NINGUN TIPO Y SUJETO A CIERTAS RESTRICCIONES QUE SE EXPONEN EN LOS TÉRMINOS DE USO EN NI.COM.
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