Echtzeitsystem mit FPGA

Wie eine Vertikalflugkammer gesteuert wird

| Redakteur: Hendrik Härter

Die Skydiver fliegen über vier Ventilatoren mit einer installierten Leistung von 1600 kW, die sich auf vier Axialventilatoren mit je 400 kW verteilt.
Die Skydiver fliegen über vier Ventilatoren mit einer installierten Leistung von 1600 kW, die sich auf vier Axialventilatoren mit je 400 kW verteilt. (Bild: National Instruments)

Im vertikalen Windkanal mit einer installierten Leistung von 1600 kW fallen die unterschiedlichsten Messwerte an. Der Regelkreis wird von CompactRIO überwacht, einem programmierbaren FPGA-System von National Instruments.

Unabhängig vom Wetter und das zu jeder Jahreszeit: Beim Indoor Skydiving in einem Vertikalwindtunnel wird der freie Fall des Fallschirmfliegens simuliert. Die erste und höchste geschlossene Vertikalflugkammer Europas hat Indoor Skydiving (ISG) 2009 in Bottrop realisiert. Dieser vertikale Windkanal mit einer Gesamthöhe von 35 m verfügt über eine installierte Leistung von 1600 kW, die sich auf vier Axialventilatoren mit je einer Leistung von 400 kW verteilt.

Es werden in der Flugkammer Luftgeschwindigkeiten bis zu 280 km/h erreicht. Der Flugbereich selbst stellt sich als 4,3 Meter durchmessende und 17 Meter hohe Kammer dar, die bis auf vier Meter Höhe verglast wurde.

Die komplette Steuerungstechnik wurde in Zusammenarbeit mit measX entwickelt. Angefangen von der Messwertaufnahme bis zur Regelung der vier 400-KW-Gebläse. Zu messen sind für jeden der vier Lüfter die Temperaturen im Ansaugbereich und im Druckbereich, der Differenzdruck in der Ringleitung sowie im Staurohr (Pitotrohre), dazu die aktuellen Drehzahlen und Motorströme. Die Steuerung der Gebläseleistung erfolgt dabei über zwei Drehgeber für die Sollwertvorgabe, eingestellt über Drehräder im Kontrollraum und in der Kammer.

Hochentwickeltes Echtzeitsystem

Für die Flugkammer selbst werden Luftdrucke; Luftströme und Temperaturaturen an allen relevanten Positionen überwacht. Zusätzlich wird noch die Außentemperatur gemessen. Diese Werte werden unter anderem zur Steuerung der sieben Gruppen von Strömungsklappen gebraucht, um einen sauberen Luftstrom zu erreichen.

Sieben SSi-Geber informieren das System über die Position der Luftklappen, wobei vier Einlassklappen-, zwei Auslassklappengruppen und eine Umlenklappengruppe optimal zusammenarbeiten müssen. Das ganze stellt einen sensiblen Regelkreis dar, der nur durch ein hochentwickeltes Echtzeitsystem beherrscht werden kann. Eingesetzt wurde daher ein CompactRIO-System von National Instruments. Konkret kam das cRIO-9014 in Kombination mit einem 3M-Gate FPGA zum Einsatz. Der Embedded-Controller führt für die deterministischen Steuer- und Regelanwendungen, Datenprotokollierung und -analyse LabVIEW Real-Time aus.

Sicherheit an oberster Stelle

In einer Anlage, in der Menschen direkt von der funktionierenden Technik abhängen, steht auch die Sicherheit an oberster Stelle. Das gesamte System verfügt über eine Schwingungsüberwachung über Spitzenwertvergleich und eine Strömungsabriss-Erkennung mit Leistungskorrektur, die automatisch in die Steuerung der Gebläse eingreift. Aber trotz aller Automatisierung bleibt der Mensch letztendlich das letzte kontrollierende Glied in der Kette.

Dazu zeigt das Bedienpanel für den Anlagenfahrer alle relevanten Daten und lässt ein manuelles Eingreifen auf jedes Steuerungsteil zu. Neben der Anzeige von vier Sollwerten, diverse Quittierungsabfragen und Freigaben, erfolgt auch die Steuerung der Tür, Signallampe, Warnhupe oder auch Not-Aus direkt hier über das measX-System. Neben einem programmierbaren Countdown der in der Flightchamber angezeigt wird, ist ebenfalls eine, wenn auch eingeschränkte, Kommunikation mit den Skydivern im Innern der Flugkammer über ein programmierbares Message-System möglich.

Das umgesetzte Konzept war so überzeugend, dass Indoor-Skydiving weitere Anlagen in Voss in Norwegen, in St. Petersburg, im belgischen Charleroi, in Warschau und in Wien gebaut hat. Mehr als 10 weitere Anlagen in Europa und auch in Übersee sind bereits in Planung.

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