מה זה HIL בתחום ההספק האלקטרוני?
HIL פרושו “hardware in the loop” או בתרגום חופשי, “דימוי חומרתי” (זאת הצעת תרגום ואנו פתוחים להצעות).
צעד טכני זה כולל לקחת את המערך שמעוניינים לבדוק (DUT- device under test) בתהליך הפיתוח למעבדה, להזין אותו עם אנרגיה ולבדוק את ביצועיו במצב מתמיד, במעבר או בזמן תקלות אופייניות, לדוגמא עומס יתר, חוסר פאזת הזנה,קצר לאדמה או ארוע קשת.
בעבר כל הפעולות במעבדה נעשו בתנאיים סטריליים אך במתח ואפילו זרם נקוב. המהנדס הבודק התמודד עם הספק נקוב שבמקרה של כשל כלשהו (בדרך כלל בכרטיס הבקרה) התקלה היתה משמעותית ודומה לתקלה מציאותית. לרוב מוליכים למחצה כשלו. במקרה של הכשל האמור הנזק היה גדול והתיקון יקר וממושך. אלה היו הימים של Power HIL.
בוא נתיחס לרגע (נצמצם את הדיון) לתחום ההספק האלקטרוני- Power Electronics (PE) . אנו טוענים שב- PE שלב ה- PowerHIL צריך להיות הצעד האחרון של פיתוח, שלב שבו הכשלים הם בהסתברות נמוכה. נוסיף לטעון שניסוי מעבדתי מורחב בזמן פיתוח הוא הכרחי ויוביל למוצר איכותי. רצוי שהניסוי יעשה באמצעות ControlHIL או CHIL (בהמשך נשתמש בכינוי – (HIL . זה אומר שכרטיס (או כרטיסי) הבקרה הכולל תכנה וחומרה יבדק באמצעות דימוי מערכתי. הכרטיס יחובר למודל חומרתי (זעיר מבחינת הספק) של המערכת. הכרטיס יבדק בהספק נמוך וסיכון נמוך. אכות הבדיקה תלויה בדיוק המודל החמרתי ובזמני האנטגציה של האלגוריטמים השונים.
ה- HIL מאפשר בדיקת התנהגות התכנה (והחמרה) הכלולה בכרטיס הבקרה ללא סיכונים משמעותיים וללא עלויות מיותרות. מערכת ה- HIL כוללת חמרת דימוי זמן-אמת, מערך I/O מצד אחד ומידול, בקרה ותכנת אוטומציה מצד שני (איור 1).
איור 1: מרכיבי HIL טיפוסי (דוגמא מעולם המהפכים החכמים)
קהל היעד- המפתח ומייצר מערכות
ה- HIL מתאים למהנדסי PE המפתחים מערכות ממתגות בתדר גבוה (לדוגמא מהפכי הספק או ממירים עבור מערכות PV). אך רצוי לא להגביל את עצמינו לישומים אלה. ה- HIL הוא מיועד לתרום לבדיקתיות כרטיסי בקרה ובאופן כללי לתהליכי פיתוח משופרים. ה- HIL ישפר את ה- OPEX וישתרע מעבר לתחום ה- PE. חלקים נרחבים של הארגון עשוים לקבל תמורה משימוש ב- HIL. לדוגמא: בדיקות סוף יצור (ROUTINE TEST) או פיתוח המשך של תכנה.
בנוסף ל- PE, ה- HIL יתרום רבות למהדסי הספק העוסקים במיקרו- רשתות (m- grid), מהנדסי חשמל מומחים לרשת החשמל באוניות, מהנדסי הכללה (system integrators) בתחומים שונים של הנדסת מערכות ומהנדסי QA. ראוי להזכיר שה- HIL יכול לתרום לרישוי (certification) מוצר חדש היות וניתן להכין מראש את רב הניסוים המוגדרים בסטנדרד.
מבלי להכנס להיסטוריה של מדמי- טיס (מראשית התעופה- מלחמת העולם הראשונה), ראוי לציין שה- HIL המודרני בשימוש משנות ה- 90. אך רב השוני בין המוצרים. ה- Typhoon HIL מיועד למערכות ממותגות ומאופיין על ידי צעד מינימלי (time step) של 0.5/1 ms. ה-HIL מאפשר מידול ודימוי של מערכות ממותגות- המערך המעבדתי הממודל וכלול ב- HIL הוא “תאום” זהה של המערכת האמיתית- ממיר ההספק.
ה- HIL יוכל להוות פלטפורמת אימון למהדסים מתחילים ויאפשר עבודה מסונכרת של צוותים הנמצאים במיקומים גיאוגרפיים שונים.
יתרונות שימוש ב- HIL
- הגדלת היקף בדיקות התכנה בסביבה “אמיתית” בעלות מבוקרת– אולי זהו היתרון המרכזי של ה- HIL. אחרי שימוש ב- HIL ותיקוני התכנה (והחומרה) המהנדס חייב להחליט מתי לעבור למעבדת ההספק. הוא יוכל להתחיל בדיקות אמיתיות רק כאשר אמינות המוצר גבוהה.
- קבלת רישוי (certification) מוצר– התאמת המוצר לשווקים שונים מחייבת רישוי על פי דרישות המוגדרות על ידי הסטנדרד המקובל במקום ההתקנה. רישוי ראשוני ורישוי מחודש מחייבים מדידות תחת תסריטים שונים. הכל ניתן להעשות בשלב מוקדם באמצעות ה- HIL. ההכנה והניסוי הם מהירים והתהליך חסר סיכונים. בשלב מאוחר יותר יש לבצע את הניסוי האמיתי בנוכחות הבודק החיצוני.
- הקטנת עלויות מחקר ופיתוח עבור מוצרים בעלי סיבוכיות גבוהה- יתרון נוסף של שימוש ב- HIL הוא היכולת לבצע מדידות ללא נוכחות אדם. כרטיסי הבקרה המשולבים במערכת הדימוי יוכלו לעבור שעות וימים של מדידות ללא סכנות של כשל משמעותי ועלויות מיותרות. המהנדס הבודק יוכל להתרכז בפיתוח המוצר החדש. המערכת תנהל את הניסוי והדו”ח יוצר על פי תפריטים מוכנים מראש.
- פישוט הכללה מערכתית- כפי שנטען לעיל המערכת ניתנת להרחבה (scalable), אוטומטית ומסוגלת לתקשר על פי פרוטוקולים מקובלים בשוק, לדוגמא:
IEC61850, Modbus, DNP3, OPC UA .
נניח שלמהנדס האחראי להכללה יש scalable HIL . הוא יוכל לקחת בקרים שונים ולחבר למודול המדמה את חלק ההספק, לדוגמא רשת חשמל האוניה. בהמשך הוא יוכל להתמקד רק בבקרים ולראות איך הם פועלים במערכת המוכללת.
- שיפור המוצר באמצעות ה- HIL – כפי שנאמר, ניתן להגדיל את היקף הבדיקות ולאגור כמויות אדירות של מידע (data) בזמן סביר ובאכות גבוהה. מעבר השימוש במידע לצורך פיתוח המוצר המסוים, מציאת תקלות ותיקונם במעבדה סטרילית, אולי למידע של ערך שוק נוסף? אולי הלקוח יעריך מידע פיתוחי או תפעולי ויהיה מוכן לרכוש אותו? לדעתנו השמיים הם הגבול!
- הקטנת עלויות OPEX – אם נקח את היתרונות שפורטו נוכל להסיק ששימוש ב- HIL יוריד את ה- OPEX . ברור שמדידות מורחבות בזמן פיתוח מפחיתות את הסיכוי של תקלות המוצר אחרי התקנה אצל הלקוח. גם רישוי מקוצר משפיע על עלות כוללת תוך כדי שיפור משמעותי של האכות. חסכון בעלות המוצר יוכל לממן את רכישת ה- HIL.
האם כל מוצרי ה- HIL זהים?
על מנת לקבל את כל יתרונות ה- HIL צוות הפיתוח חייב להיות מצויד ב- HIL הנכון לישום הרלוונטי. רוב מוצרי ה- HIL דומים אך לא זהים. על כן, יש לקבל החלטה זהירה. המלצתנו היא: תבחר פתרון שמכסה מערכת HIL ,ולא HIL בלבד. תעדיף HIL שהוא מערכת vertical integrated .
המערכת חייבת להיות מסוגלת להרחבה (scalable) ומתאימה לישום על פי דרישות המשתמש (customized). בנוסף המערכת חייבת להיות מאוד אמינה וקלה לתפעול.
המערכת חייבת לכלול אמולציה חמרתית, מערך גמיש של I/O (docking I/O), אפשרות דימוי וספריית מערכי בקרה. חשוב מאוד שהמערכת מגיעה מחברה אחת.
ה- HIL היחיד שעונה על כל הדרישות הנ”ל הוא Typhoon HIL (איור 2).
איור 2: ה- HIL מחברת Typhoon- חומרה, כילים, מידול, דימוי והצגת תוצאות (מדידות “זמן אמת”)
