Conception graphique de systèmes pour le contrôle industriel

Le développement de systèmes embarqués pour le contrôle industriel reposant sur une chaîne d’outils de programmation graphique et de contrôleurs d’automatismes programmables (PAC) par Todd Dobberstein et Brian MacCleery



Pour en savoir plus sur CompactRIO et la conception graphique de systèmes, visitez ni.com/compactrio.

Introduction

Le processus traditionnel pour concevoir des systèmes de contrôle industriel embarqués implique en général plusieurs étapes de développement qui nécessitent des outils spécialisés d’automatisation de conception électronique (EDA), comme des outils de diagrammes d'état et de tracé de diagrammes, des outils de simulation de circuit SPICE, de topologie et de routage des cartes, des outils de conception de systèmes de contrôle, d'analyse d'éléments finis (FEA), de langages C et VHDL, de plusieurs compilateurs propres à la cible, et enfin des outils d’interface homme-machine (IHM).

Les nouveaux outils automatisés de conception graphique de systèmes ainsi que les systèmes à base de matériel PAC peuvent vous aider à rationaliser le processus de développement du contrôle industriel. Ces nouveaux outils de conception graphique permettent une entière personnalisation des FPGA, des processeurs temps réel et des modules d’E/S industriels grâce au langage de programmation graphique LabVIEW. Grâce aux outils LabVIEW, vous pouvez accéder à des ressources bas niveau tout en profitant d'une programmation embarquée simple ainsi qu’à une centaine de fonctions intégrées conçues pour automatiser les tâches de contrôle industriel courantes. Les systèmes à base de matériel PAC, comme le système embarqué CompactRIO, sont conçus pour une intégration transparente avec la chaîne d’outils de conception. Grâce aux PAC, vous pouvez construire des systèmes incorporant des fonctionnalités logicielles comme le contrôle, la communication, l’enregistrement de données et le traitement de signaux avec un contrôleur durci effectuant de la logique, de la commande d’axes, du contrôle de processus et de la vision.

Développer une logique FPGA personnalisée

Inutile d’être un expert en programmation VHDL pour profiter de la fiabilité et des performances du matériel FPGA. En effet, le module LabVIEW FPGA permet de développer rapidement des applications pour le CompactRIO en générant du code VHDL à partir d’un code source graphique LabVIEW, puis en procédant automatiquement à l’optimisation, à la synthèse et au téléchargement. LabVIEW offre un langage de programmation complet pour le matériel RIO qui bénéficie des capacités de traitement parallèle du FPGA et permet l’exécution de certaines portions du code sur un cycle d’horloge (40 MHz). Outre les structures élémentaires de programmation et les fonctions logiques numériques, vous pouvez aussi insérer des fonctions pour la commande d'axes, la régulation PID, l'analyse, la génération de formes d'ondes, les filtres, etc.

Traitement matériel temps réel

Avec le module LabVIEW Real-Time, vous pouvez utiliser sur un processeur à virgule flottante dont l’exécution est déterministe plus de 650 blocs de fonctions pour la commande d’axes, la régulation PID, l’analyse, etc.

Une application temps réel s’appuie généralement sur deux boucles parallèles. La boucle temps critique s’interface au FPGA pour garantir une interaction déterministe avec les E/S du FPGA. Vous pouvez synchroniser l'exécution de cette boucle à l’aide des interruptions matérielles. Elle est généralement en charge de la logique de contrôle tandis que la seconde boucle (priorité normale) remplit des tâches de stockage de données, d'analyse et de communication avec un ordinateur distant via en réseau.

Interface Homme-Machine (IHM)

Vous pouvez concevoir une interface utilisateur pour votre système de contrôle industriel à partir de n’importe quel ordinateur Windows/Linux/Macintosh. En effet, les contrôleurs LabVIEW Real-Time intègrent un serveur Web qui publie automatiquement l’interface utilisateur de l'application temps réel sur le réseau.

Architecture matérielle

Le CompactRIO est un système embarqué reconfigurable et durci, composé de trois éléments : des modules d'E/S industriels, un FPGA et un contrôleur temps réel.

Modules d’E/S

Les modules d’E/S disposent d’une isolation, d’un circuit de conversion, d’un conditionnement de signaux et d’une connectivité intégrée pour assurer un branchement direct aux capteurs/actionneurs. En intégrant la connectique dans les modules, le système CompactRIO réduit de façon significative l'espace et les coûts dévolus au câblage. Il existe plusieurs types différents d’E/S, dont des entrées thermocouples ±80 mV, des E/S analogiques à échantillonnage simultané ±10 V, des E/S numériques 24 V avec sortie courant de 1 A max/, des entrées numériques différentielles TTL et des entrées pour les accéléromètres IEPE 24 bits.

Châssis FPGA reconfigurable

Le châssis FPGA est au cœur de l'architecture système embarquée. Le FPGA est connecté aux modules d'E/S dans une topologie en étoile, pour garantir un accès direct au circuit d'E/S de chaque module, une grande souplesse en termes de synchronisation et de déclenchement. Vu que chaque module est connecté directement au FPGA plutôt que via un bus, il n’y a presque aucune latence pour la réponse du système comparée à d’autres contrôleurs industriels. Un châssis unique peut exécuter plus de 20 boucles de contrôle PID analogiques simultanément à une vitesse de 100 kHz.

“La nature reconfigurable du CompactRIO et de LabVIEW FPGA change les règles pour le contrôle industriel et le contrôle de vibration. Le résultat final est un système embarqué économique et durci qui peut se déployer sur toute une variété d’applications et d’environnements où l’équipement traditionnel ne conviendrait pas."
- Darren Lingafeldt, Ingénieur systèmes pour Nexjen Systems, fournisseur d’équipement de test électrique renforcé et de systèmes de contrôle de vibration personnalisés

Contrôleur temps réel

Le contrôleur temps réel contient un processeur industriel qui exécute de façon fiable et déterministe les applications LabVIEW Real-Time. Il offre des possibilités de contrôle multivitesse, les moyens de tracé l’exécution du code et une communication avec les périphériques. Parmi les fonctionnalités supplémentaires, citons les entrées d’alimentation électrique doubles de 11 à 30 Vdc, un connecteur DIP, des LED indicateurs d’état,une horloge temps réel, des chiens de garde, et d’autres fonctionnalités toutes liées à la fiabilité.

Spécifications CompactRIO

Développement de modules personnalisés

Grâce au kit CompactRIO Module Development, vous pouvez développer des modules personnalisés pour satisfaire certains des besoins spécifiques. Ce kit donne accès à l’architecture électrique du CompactRIO et permet donc de concevoir des modules d'E/S spécialisés. Il contient de plus des bibliothèques LabVIEW FPGA afin de s’interfacer à votre module personnalisé et garantir des transferts de données à des vitesses supérieures à 40 Mo/s.

Les Figures n°9 et n°10 illustrent les configurations et les topologies d’un module

CompactRIO VR personnalisé.

"Le CompactRIO et le kit de développement de modules offrent un système de prototypage universel et puissant que les ingénieurs de conception de systèmes de contrôle utilisent pour rapidement mettre en œuvre des systèmes embarquées très personnalisés à partir d’outils standards."

- Carroll G. Dase, Président de Drivven, Inc., fournisseur de solutions de contrôle automobile et d’acquisition de données

PAC (Process Automation Corporation) utilise le CompactRIO pour créer un système de contrôle et d’acquisition qui acquiert des données analogiques haute vitesse sur plusieurs voies, exécute des algorithmes de traitement personnalisés et offre un contrôle déterministe pour faire fonctionner un outil de fixation contrôlée (VFI, verifiable fastener installation). Cette application nécessitait un système fiable et très performant afin de calculer en temps réel le point d’arrêt approprié à l’outil VFI. Le contrôle se fait en cours d’acquisition, au fur et à mesure que les valeurs de couple et de déplacement variaient au moment de se fixer à des matériaux de différentes épaisseur et densité.

Le plus grand avantage dont Process Automation Corporation a profité avec CompactRIO est sa capacité à acquérir et à traiter des données provenant de capteurs de systèmes à des vitesses habituellement réservées à des solutions matérielles personnalisées très coûteuses. Grâce au faible encombrement et au fonctionnement du système embarqué, Process Automation Corporation a pu développer des applications embarquées autonomes pour le contrôle matériel avec un cycle de développement beaucoup plus court et nettement moins coûteux.

"Associée à la réputation de National Instruments en termes de robustesse lors de l’exécution et de rapport qualité/prix, la plate-forme CompactRIO s'est révélée la plus économique pour cette application. Le système CompactRIO offre une puissance de traitement suffisante pour permettre de faire fonctionner plusieurs outils d’installation de fixation parallèlement sur un même châssis. CompactRIO est deux fois plus économique que le système précédent.”
- Greg Sussman, Consultant Systèmes d’Automatisation, Process Automation Corporation

La Figure n°12 présente trois modules personnalisés conçus par Drivven, Inc.. pour contrôler l’allumage des bougies et les injecteurs d’une Yamaha YZF-R6 à des vitesses supérieures à 15 500 tours/minute.

Applications types de contrôle industriel :

• Conditionnement industriel
• Machines à souder
• Commande d’axes haute vitesse
• Mélange chimique
• Machines de fixation
• Maintenance préventive

Visitez ni.com/compactrio pour consulter des ressources supplémentaires sur la conception graphique de systèmes :

• White paper sur le contrôle industriel
• Exemples de programmes sur le contrôle industriel
• Présentations multimédias
• Formation en ligne sur CompactRIO
• Articles d’utilisateur sur CompactRIO
• Modèles de modules personnalisés