Un innovativo sistema elettronico di controllo per elettrodomestici

ELETTRODOMESTICI

È possibile ridurre i tempi per lo sviluppo di schede elettroniche di controllo per apparecchiature di refrigerazione domestica, utilizzando gli strumenti di Rapid Control Prototiping di National Instruments.

S. Giordan - Selezione di Elettronica

22 Giugno 2009

La fase di messa a punto e la validazione finale del progetto di una scheda elettronica di controllo per apparecchiature di refrigerazione domestica, implica lo sviluppo di una serie di test funzionali del sistema costituito dall'apparecchiatura più il controllo elettronico, svolti in una camera climatica, in condizioni controllate di temperatura de umidità. I test di verifica funzionale dell'apparecchiatura possono cominciare solo quando lo sviluppo e test della scheda elettronica sia stato terminato. L'attività di verifica funzionale dell'apparecchiatura richiede tempi lunghi perché un frigorifero raggiunge la sua stabilità termica con lentezza, a causa della sua notevole inerzia termica. L'osservazione del funzionamento in condizioni stabili può avvenire anche dopo 60-80 ore di funzionamento continuo. Questa situazione di stabilità termica è imprescindibile per l'acquisizione di dati funzionali attendibili. Alla fine della fase di analisi dei dati raccolti, si identificano le eventuali azione correttive, che vengono poi segnalate al reparto di sviluppo firmware (il quale provvederà a realizzare una nuova versione del software di controllo). La nuova versione firmware sarà installata nuovamente sul controllo del frigorifero e si darà inizio a un nuovo ciclo di raggiungimento di stabilità e raccolta dati. Il ciclo così descritto prosegue fino al raggiungimento del funzionamento della macchina secondo le specifiche di progetto.

Un nuovo approccio
La gestione classica appena descritta, evidenzia almeno due lati sfavorevoli. In primo luogo, si genera ritardo dovuto all'iterazione tra le attività di esecuzione delle prove di funzionamento e di implementazione delle modifiche firmware. In secondo luogo, si subisce il ritardo causato dalla subordinazione temporale della fase di verifica funzionale, alla fornitura della scheda elettronica di controllo, già sviluppata e collaudata. In particolare, questa sequenzialità forzata impedisce alcun tipo di parallelismo tra le attività.
È stato deciso un cambio di metodologia per razionalizzare le attività di sviluppo elettronico e collaudo funzionale in camera climatica, con l'intenzione di accelerare il processo di sviluppo e validazione. Per questa ragione, si è deciso di implementare le funzionalità della scheda elettronica di controllo di un frigorifero utilizzando una piattaforma hardware di National Instruments.
Il nuovo approccio prevede l'implementazione delle operazioni di acquisizione dati, gestione attuatori, implementazione degli algoritmi di controllo e gestione dell'interfaccia utente, in altre parole, tutte le funzionalità eseguite dalla scheda elettronica, da un sistema esterno collegato a un personal computer. La scelta tecnica è stata indirizzata su un sistema CompactRio, che riesce semplicemente a sostituire una scheda elettronica dotata di microprocessore, stadi di condizionamento e input/output. Il sistema CompactRio è molto più evoluto di un semplice microprocessore e dispone di una sezione Fpga, di sufficiente memoria per programma, algoritmi e variabili, di una facile configurabilità degli I/O e di un'interfaccia Ethernet per la comunicazione al mondo esterno.

Architettura e hardware
Per lo sviluppo di questo sistema si è deciso di utilizzare l'ambiente di sviluppo LabView di NI con i moduli Real-Time e Fpga.
Il software del sistema è stato progettato in due parti:

software per il controllo della apparecchiatura sotto test (CompactRio);
software di configurazione e monitor dell'attività dell'apparecchiatura (Pc esterno);

L'architettura del sistema è la seguente:
Il CompactRio viene identificato come Rcp (Rapid Control Prototiping) del sistema e ha il compito di emulare la scheda elettronica: gestisce il ciclo di controllo dell'apparecchiatura e condiziona gli ingressi e uscite.
La configurazione hardware utilizzata per la realizzazione del sistema, consente la gestione dei seguenti segnali di I/O:

4 ingressi per i canali Rtd;
24 ingressi analogici generici in tensione;
4 ingressi analogici generici di precisione;
4 ingressi digitali;
16 canali digitali di uscita per gestire le attuazioni;

Le risorse del CompactRio sono state così utilizzate:

il processo di acquisizione è residente su Fpga e gestisce tutte le I/O del sistema;
nella parte real-time del CompactRio è installato un software che ha un nucleo base che gestisce le funzionalità standard di un'apparecchiatura frigorifera.

Il nucleo base del software viene interfacciato ad un opportuno modulo software specifico per il prototipo da sviluppare.
L'applicazione "Rcp Manager" è il software per Pc che si interfaccia al sistema e che consente di:

monitorare le attività in corso;
selezionare e installare un prototipo di software di controllo;
modificare i parametri disponibili del prototipo di software di controllo;
controllare e interagire con gli I/O disponibili (collegamento fisico al frigorifero);
gestire una sessione di registrazione e monitor del funzionamento del prototipo.

Questo sistema si appoggia ad un database MS-Access per la gestione dei dati relativi ai prototipi di software di controllo e per memorizzare i dati di monitoraggio del funzionamento: l'operatore, una volta che ha caricato i dati di prototipo sul sistema Rcp, ha l'accesso ai parametri di configurazione e quindi ha la possibilità di modificarli e tararli in funzione delle risposte che ottiene dal funzionamento dell'apparecchiatura. Il sistema permette sia di modificare i parametri di lavoro sia di registrare i dati di esercizio dell'apparecchiatura: l'operatore ha in tempo reale l'esito dell'aggiustamento dei parametri che ha effettuato. Alla fine di questa attività di messa a punto, l'operatore avrà un set di parametri, che unitamente agli algoritmi di controllo, saranno passati alla divisione sviluppo firmware, che potrà così realizzare una scheda a microprocessore che rispecchi esattamente quanto definito con il sistema Rcp. "Rcp Review" è l'applicazione per Pc che si interfaccia all'archivio delle registrazioni salvate ed è dotata di un sistema per l'individuazione rapida dei dati di interesse. Con questo strumento l'operatore può accedere ai i dati di collaudo svolti e svolgere diverse procedure di analisi.

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