Costruzione di un sistema integrato per il controllo, l'acquisizione e l'elaborazione dei dati di una galleria del vento climatizzata

Introduzione 
8 
Ogni strumento virtuale si occupa di un singolo strumento reale o 
dispositivo, aumentandone le capacità operazionali e di acquisizione. Ad 
ognuno di essi é abbinato un valore di priorità, di esecuzione, in base 
all’importanza dell’apparecchiatura controllata (unità strategica) e dei 
dati da acquisire. Inoltre gli strumenti virtuali possono comunicare fra di 
loro, scambiandosi le informazioni utili per l’elaborazione dei dati e la 
regolazione di diverse grandezze caratteristiche della galleria del vento. 
A questa serie di programmi sovrintende il programma chiamato 
Direttore Strumenti che ha il compito di gestire la comunicazione e la 
registrazione dei dati fra tutti gli strumenti attivi. 
Lo sviluppo di questo sistema di integrazione vuole portare notevoli 
vantaggi alla realizzazione delle prove in galleria del vento come la 
riduzione del tempo di prova, l’eliminazione di tempi morti dovuti alle 
difficoltà di controllo delle apparecchiature, la ripetizione fedele di 
particolari test per poter effettuare confronti, la creazione di nuove 
tipologie di prova. 
Gli obiettivi da raggiungere sono elencati per esteso nel Capitolo I. 
La piattaforma di sviluppo, caratteristiche dei calcolatori e linguaggi di 
programmazione, é descritta nel Capitolo II. 
I Capitoli dal III al XIII contengono la descrizione della struttura 
generale del progetto, di tutti gli strumenti virtuali creati e dei dispositivi 
da loro controllati. 
Le prospettive di ampliamenti al sistema e le conclusioni sul lavoro svolto 
sono contenute nel Capitolo XIV. 
 
 9 
Capitolo I 
 
OBIETTIVI 
 
 
 
Particolare dello spaccato dell’impianto della galleria del vento della Ferrari SpA 
1 - Nozzle 5 - Banco a Rulli   8 - Vent. Gas di Scarico 
2 - Ventilatore Principale 6 - Bilancia 10 - Sala Controllo 
 7 - Simulazione Solare  
Obiettivi 
10 
L’impianto della galleria del vento climatizzata é costituito da un diverso 
numero di macchine e apparecchiature utilizzate per le regolazioni e 
l’acquisizione dei dati. Tutti questi strumenti funzionano in modo isolato, 
senza poter interagire fra di loro; inoltre non prevedono l’elaborazione e 
la registrazione dei dati rilevati. 
Per il numero di strumenti interessati, durante una prova, occorre che 
più persone si occupino della supervisione e del controllo. 
Per questi motivi si é resa necessaria la progettazione di un sistema di 
controllo innovativo, hardware e software, capace di coordinare il 
funzionamento degli strumenti, aumentandone le capacità di 
acquisizione, operazionali e computazionali. Inoltre era desiderio capire i 
vantaggi (efficienza, affidabilità, rapidità di acquisizione, risparmio di 
tempo e di personale) portati da un’operazione d’integrazione di questo 
tipo senza un totale rinnovo dell’impianto, cioè utilizzando i mezzi 
informatici e gli strumenti già esistenti. 
La progettazione di tale sistema deve tenere conto dei diversi modi 
d’impiego degli strumenti e della diversità dei test che si effettuano in 
una galleria del vento (vedere la tabella nella pagina successiva). 
Gli altri obiettivi che si sono prefissati nella realizzazione sono: 
• Raggruppamento e registrazione dei dati provenienti da tutti gli 
strumenti impegnati nella prova. 
• Creazione di algoritmi di regolazione per la velocità del vento e per il 
controllo del pilota automatico. 
• Possibilità di comunicazione dei dati acquisiti tra diversi strumenti. 
• Indipendenza, in ogni strumento, tra registrazione e acquisizione dati. 
• Interfacce utenti semplici e di facile utilizzo, ma nello stesso tempo 
complete. 
• Automatizzazione della creazione di mappe di pressioni o grandezze 
acquisite da sensori. 
Obiettivi 
11 
• Funzionamento dei programmi non vincolata al computer dove sono 
eseguiti, o alla sua posizione nella rete. 
• Distinzione tra tipologie di prova: motoristiche e aerodinamiche con un 
diverso sistema di registrazione. Per le prove motoristiche la 
registrazione dei dati deve avvenire a intervalli di tempo impostabili; 
mentre per quelle aerodinamiche deve essere o comandata dall’utente 
o automatica, in entrambi i casi con un controllo della stabilità sulle 
grandezze acquisite. 
 
Tipologie di prova in galleria del vento e strumenti impegnati. 
Prove Motoristiche Prove Aerodinamiche 
  
Ventilatore, Banco a Rulli, Pilota 
Automatico, Condizionatori, 
Sensori, Movimentatore di Sonde 
Ventilatore, Bilancia, 
Scannivalve, Movimentatore di 
Sonde, Sensori 
Impianto di raffreddamento motore. 
Condizionamento abitacolo. 
Aerodinamica interna (prese d’aria, 
radiatori, abitacolo). 
Misure di temperature su componenti 
(motore, freni, centraline). 
Mappatura dell’impianto climatiz-
zazione motore. 
Avviamento a caldo e vapor-lock. 
Ricerca ed analisi delle sorgenti di 
rumore. 
Misura di vibrazioni e sollecitazioni 
componenti. 
Prove sull’apparato di trasmissione. 
Rilievo curve di potenza e di 
prestazioni vettura. 
Sviluppo dell’aerodinamica esterna e 
interna sui modelli in scala 1:2.5. 
Misura di forze e pressioni 
superficiali, visualizzazione di flussi 
esterni e interni. 
Mappature di pressioni nelle scie dei 
corpi. 
 
Il raggiungimento degli obiettivi descritti permetterà di svolgere una 
prova su un oggetto, o un’autovettura, in galleria del vento, con estrema 
regolarità. Questo significa che si avrà la possibilità di ripetere prove con 
Obiettivi 
12 
precisione aumentando la veridicità dei confronti tra oggetti provati in 
tempi diversi. 
 13 
Capitolo II 
 
PIATTAFORMA DI SVILUPPO 
 
 
 
 
Digital
µ VAX
(Server di rete)
Power
Macintosh
7100/80
Power
Macintosh
6100/66
Macintosh
IIfx
Macintosh
Quadra 900
Macintosh
PowerBook 520c
Macintosh
PowerBook 5300cs
Apple
LaserWriter II
HP
PaintWriter XL
Schede
di acquisizione
Schede
di acquisizione
Rete esterna
Capitolo II - Piattaforma di Sviluppo 
14 
Sono presenti nella galleria del vento parecchi computer collegati per 
mezzo di una rete tipo Ethernet e gestita da un computer Digital µ VAX. 
Come piattaforma per la supervisione degli strumenti, il controllo e 
l’acquisizione dei dati sono stati scelti due computer Apple Macintosh: il 
modello Quadra 900 e il IIfx. 
Caratteristiche del Quadra 900 sono il microprocessore 68040 (25 MHz), 
la memoria RAM da 24 Mbyte, due monitor collegati insieme che 
formano un unico schermo: uno da 18" e uno da 11". In esso sono 
alloggiate alcune schede di interfacciamento: per l’acquisizione dei dati 
la scheda “NB-MIO-16H” e due “AMUX-64T” della National 
Instruments; per l’espansione dei canali di comunicazione seriale la 
“RM1280 Quad Serial Four Port” della Greenspring Computers. 
Invece il Macintosh IIfx ha un microprocessore 68030 (40 MHz), una 
memoria RAM di 16 Mbyte, un monitor di 15" e alloggia la scheda, per 
acquisizione, “NB-MIO-16L” e per la comunicazione con lo standard 
IEEE-488 la “NB-GPIB”, entrambe fabbricate dalla National 
Instruments. 
Inoltre sono a disposizione, in rete, diverse memorie di massa 
rappresentate da dischi rigidi (per circa 3 Gbyte complessivi), lettori di 
CD-ROM e i comuni floppy da 3.5 pollici (1.44 Mbyte). 
Sui calcolatori che sono stati utilizzati era presente il sistema operativo 
MacSystem (Ver.7.5). 
Per lo sviluppo dei programmi di controllo degli strumenti si é utilizzato 
il pacchetto software LabVIEW (Ver. 3.1.1), della National Instruments, 
uno pseudo-linguaggio di programmazione grafica specializzato per il 
controllo di processi e l’acquisizione dei dati. 
 
 
 
Capitolo II - Piattaforma di Sviluppo 
15 
2.1 Linguaggio LabVIEW 
 
Il LabVIEW é un pacchetto di programmazione grafica per il controllo, 
l’acquisizione, l’analisi e la presentazione dei dati. La metodologia di 
programmazione, offerta dal LabVIEW, permette di creare il proprio 
programma collegando diversi moduli e routine detti strumenti virtuali. 
Gli stessi strumenti virtuali sono stati creati unendo altri moduli con 
istruzioni primitive. 
 
Architettura del pacchetto software LabVIEW. 
Instrument Drivers
Acquisition Analysis Presentation
IEEE-488
NI-DAQ
NI-DSP
Serial
Commands
GPIB
Computer
Bus
RS232
Operating System
LabVIEW
D
r
i
v
e
r
S
o
f
t
w
a
r
e
 
 
Usando il LabVIEW il sorgente non viene scritto in codice, come nei più 
comuni linguaggi, ma é costruito graficamente in maniera simile ad un 
circuito elettrico. E come un circuito é composto da un pannello di 
controllo, che é visualizzato sullo schermo durante l’esecuzione, 
Capitolo II - Piattaforma di Sviluppo 
16 
contenente indicatori, manopole, display, etc.; e da un diagramma dove 
sono contenute le elaborazione sui dati ed i collegamenti con gli elementi 
presenti sul pannello. 
 
- Pannello di Controllo (Front Panel) - 
Per creare uno strumento virtuale si deve prima costruire il pannello di 
controllo, cioè l’interfaccia che consentirà all’utente di inserire dei dati e 
al computer di visualizzare i risultati. 
 
Esempio di elementi in un pannello di controllo. 
10.0
0.0
2.0
4.0 6.0
8.0
0.00
Manopola
10.0
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
0.00
Termometro
Pulsante
uno
2
tre
Tabella
 
 
Su un pannello di controllo si possono mettere manopole, controllori 
digitali, termometri, pulsanti, grafici ed altri oggetti ancora. Tutti questi 
elementi sono già disponibili e vanno solo personalizzati (colori, 
dimensioni, forma). Alcune delle caratteristiche che possono essere scelte 
o modificate per un elemento sono le seguenti: 
• indicatore = serve unicamente per mostrare dei risultati; 
• controllore = imposta e mostra dei dati; 
• range = intervallo di valori accettabile; 
• mechanical action = definisce il funzionamento dei tasti come pulsante 
o interruttore; 
Capitolo II - Piattaforma di Sviluppo 
17 
• default = valori che l’elemento deve assumere al principio 
dell’esecuzione. 
In più ogni elemento può essere reso invisibile oppure disabilitato in 
qualunque momento durante l’esecuzione dello strumento virtuale. 
Il pannello di controllo può essere stampato oppure salvato su disco 
durante l’esecuzione del processo. 
 
- Diagramma ( Block Diagram) - 
La programmazione vera e propria avviene nel diagramma. La creazione 
di un nuovo strumento virtuale comporta il collegamento con dei “fili” di 
diversi oggetti muniti di ingressi ed uscite che possono rappresentare: 
elementi sul pannello di controllo, operazioni matematiche, cicli, routine 
di analisi e acquisizione, operazioni di I/O su file oppure altri strumenti 
virtuali creati precedentemente. 
 
Esempio di diagramma 
12.1
Costante
Potenza di 2
Contatore
Tempo
Ciclo While
 
 
Il LabVIEW fornisce una attenta analisi degli errori di programmazione 
che vengono individuati e segnalati all’utente. Inoltre é munito di diversi 
strumenti per seguire l’evolversi dei programmi e delle routine durante 
la loro esecuzione (debug, help, etc.). 
 18 
Capitolo III 
 
STRUTTURA GENERALE 
 
 
 
 
Computer
Pressure
System
Sonde
Centraline
Diavia
Computer
Pfister
PLC
Master
Siemens
Computer
Schenck
Sonde
Computer
Pilota
Schenck
Circuito
pulsantiera
Motorini
passo-passo
Elenco caratteristiche di comunicazione
Program to Program Communication (Rete Ethernet)
Seriale RS232: Scheda Greensprings “RM1280”
IEEE-488 standard: scheda National Inst. “NB-GPIB”
Scheda National Inst. “NB-MIO-16L”
Scheda National Inst. “NB-MIO-16H” + “AMUX-64T”
Elenco caratteristiche di comunicazione
Movimentatore
per Sonde
Scannivalve
Canali
Differenziali
Bilancia
per Modelli
Pilota
Automatico
Galleria
del Vento
Condizionatori
d’Aria
Sensori
Banco
a Rulli
Direttore Strumenti
(Server)
 
Capitolo III - Struttura Generale 
19 
Per controllare l’insieme delle apparecchiature e delle macchine che 
costituiscono l’impianto della galleria del vento é stata progettata una 
particolare struttura di programmi. 
L’abbinamento dei singoli programmi creati (strumenti virtuali) con i 
sistemi controllati é il seguente: 
 
Descrizione della struttura di controllo. 
Strumento 
Virtuale 
Sistemi 
controllati 
Tipo di 
comunicazione per il 
controllo 
Memoria 
richiesta 
Direttore 
Strumenti 
Quadro di controllo 
galleria (pulsantiera) 
Scheda “NB-MIO -16H” 3 Mbyte 
Galleria del 
Vento 
Ventilatore principale Seriale RS232 3 Mbyte 
Bilancia per 
Modelli 
Bilancia Pfister Scheda “RM1280” per 
seriale RS232 
3 Mbyte 
Movimentatore 
di Sonde 
Motori passo-passo e 
finecorsa 
Scheda “NB-MIO -16L” 3 Mbyte 
Scannivalve Pressure System 8400 Scheda “NB-GPIB” per 
standard IEEE-488 
3.5 Mbyte 
Sensori 128 canali single-
ended di acquisizione 
(0-10 Volt) 
Schede “NB-MIO-16H” e 
“AMUX-64T” 
8 Mbyte 
Canali 
Differenziali 
8 canali differenziali 
di acquisizione (0-10 
Volt) 
Scheda “NB-MIO-16L” 3.5 Mbyte 
Banco a Rulli Computer Dynamot 
Control II Schenck 
Scheda “RM1280” per 
seriale RS232 
4 Mbyte 
Pilota 
Automatico 
Computer Pilota 
Schenck 
Scheda “RM1280” per 
seriale RS232 
3 Mbyte 
Condizionatori 
d’Aria 
Centraline Diavia 
impianto di 
climatizzazione 
vetture 
Scheda “RM1280” per 
seriale RS232 
3 Mbyte 
   
 
Tutti gli strumenti virtuali che acquisiscono dati devono poterli anche 
registrare in un archivio. Per questo, lo strumento denominato Direttore 
Capitolo III - Struttura Generale 
20 
Strumenti, si occupa di dialogare con tutti i programmi attivi e riunire le 
informazioni e i valori che sono stati acquisiti dai vari sistemi. Questi 
dati saranno registrati in un unico file e rappresenteranno l’evoluzione 
nel tempo della prova effettuata. 
L’esecuzione del programma Direttore Strumenti é necessaria quando si 
vuole avere una registrazione dell’andamento delle grandezze acquisite o 
una stampa durante la prova. Inoltre la registrazione dei dati può 
avvenire con diverse modalità a seconda della tipologia della prova: 
motoristica o aerodinamica [Capitolo II]. 
Mentre la maggior parte degli strumenti virtuali controllano i loro 
sistemi indipendentemente dal funzionamento degli altri, alcuni 
necessitano, per l’elaborazione dei dati o per le regolazioni, della 
presenza di un altro strumento che gli fornisca delle informazioni. E’ il 
caso della Bilancia per Modelli e della Scannivalve che devono poter 
comunicare con lo strumento Galleria del Vento che trasmetterà il valore 
della pressione dinamica acquisita dalla camera di prova della galleria. 
Questo valore é utilizzato per calcolare i coefficienti aerodinamici. Anche 
Pilota Automatico ha bisogno di comunicare con il Banco a Rulli per 
conoscere i dati da esso acquisiti (velocità, forza e potenza delle ruote) 
per svolgere una corretta regolazione sull’acceleratore della vettura. 
La struttura creata ha il vantaggio di non far dipendere i programmi che 
acquisiscono con più rapidità da quelli che lo fanno più lentamente, 
evitando così perdite d’informazioni. 
Le caratteristiche di esecuzione dei singoli strumenti virtuali dipendono 
dalla velocità del sistema di acquisizione e dal tipo di comunicazione 
usato per controllarlo (RS232, IEEE-488, schede d’acquisizione). Di 
conseguenza alcuni strumenti sono definiti, per l’importanza del sistema 
controllato, come unità strategiche e godono di alcuni privilegi, cioè 
Capitolo III - Struttura Generale 
21 
hanno una priorità più alta (valore più grande) durante l’esecuzione 
rispetto ad altri processi. 
 
Tabella delle priorità degli strumenti virtuali. 
Valore priorità Strumento 
virtuale 
Note 
3 Direttore Strumenti Per poter smaltire tutte le 
richieste di sessioni di 
comunicazione nel minor tempo 
possibile. 
2 Galleria del Vento Per garantire l’acquisizione e il 
controllo della velocità del vento in 
tempi rapidi. 
0 Altri Non necessitano di particolari 
priorità 
 
L’avvio degli strumenti virtuali, prima di effettuare una prova in galleria 
del vento, deve rispettare un ordine ben preciso per garantire la corretta 
apertura dei canali di comunicazione. Si sono quindi suddivisi gli 
strumenti in quattro livelli, prima di eseguire uno strumento virtuale 
presente sul livello successivo occorre aver avviato e configurato quelli 
che si useranno nel livello precedente. 
 
Ordine di esecuzione degli strumenti virtuali. 
Livello Strumenti virtuali Note 
1 Direttore Strumenti Solo nel caso si vogliano 
registrare i dati acquisiti. 
2 Sensori, Bilancia per Modelli, 
Scannivalve, Condizionatori d’Aria, 
Pilota Automatico, Canali 
Differenziali, Movimentatore di 
Sonde 
Il Movimentatore si può 
attivare solo se non sono 
usati ne Scannivalve ne 
Canali Differenziali. 
3 Banco a Rulli Per  poter trasmettere  i dati 
4 Galleria del Vento acquisiti agli altri strumenti