Compact FieldPoint – 利用LabVIEW之生產力與進階分析於工業量測與控制

如果您需要在很小的空間嵌入控制或量測功能，可以考慮National Instruments的Compact FieldPoint I/O產品。自從FieldPoint FP-2xx控制模組上市以來，LabVIEW已開發出多種應用，並及於小型FieldPoint控制器方面。利用Compact FieldPoint，則LabVIEW可以適用於前所未有的嵌入式小型應用。而Compact FieldPoint使LabVIEW有了一個較小型的目標，比以往更適用於嵌入式應用。Compact FieldPoint較FieldPoint的體積為小，但更耐用，此新系統 — 約為FieldPoint的一半大小 — 具有一堅固的背板，與大量訊號終端處理的特性，包括各種類比與數位I/O模組，以提供完整的量測與自動化平台。一個隨身型FieldPoint加上四個I/O模組的大小，為4 x 10 x 5英吋. (10.2 x 25.4 x 12.7公分) — 與鞋盒的大小一般。

縮小中的LabVIEW

所有小型Compact FieldPoint控制器可以使用LabVIEW Real-Time即時系統，您可以使用標準LabVIEW功能調色板進行資料分析、資料儲存、與網路通訊。您只需要在微軟視窗做系統研發與除錯，然後下載，並在Compact FieldPoint控制器上的指定微處理機執行您的程式。Compact FieldPoint能夠以200次/秒的速度執行控制迴路，將LabVIEW分置於您的信號源旁邊，您可以移開PC，以增加系統的可靠度，並減少雜亂的配線，降低纜線接收雜訊的風險。

雖然新的Compact FieldPoint平台只有傳統FieldPoint的一半大小，卻有相同的性能與各種I/O的選擇。Compact FieldPoint有cFP-2000、cFP-2010、cFP-2020三種控制器，各模組包含內建的非揮發性Flash記憶體，用來儲存嵌入式應用程式與紀錄資料。它也包含執行LabVIEW嵌入式應用程式所需的DRAM，cFP-2010與cFP-2020含有大量的DRAM，能夠執行較大較複雜的應用程式。控制器均可執行x86英特爾微處理機上的非微軟視窗、低常駐軟體、與即時操作系統(RTOS)，下表列出各控制器模組間的差異：

RTOS在各模組執行並提供較一般操作系統多的兩個優點：

1. OS與LabVIEW Real-Time 6.1執行引擎使用8MB的DRAM與6MB的Flash，而LabVIEW程式可在低耗能的x86微處理機架構上快速並有效的執行，另外cFP-20xx單元僅消耗4.5W的電能。由於OS已經流程化，不會遭遇到複雜OS所固有的不穩定問題。您可以放心的使用cFP-20xx系統控制應用程式，而相形之下，使用PC顯得非常不可靠。
2. 具有對各控制迴路指定優先的能力，應用程式的一部份可以以高優先執行，而較不重要的通訊與紀錄應用，則可以較低的優先處理。這表示一個多重迴路以即時方式執行，以確認處理的穩定，而HMI則以較低的優先執行。RTOS可保證PID運算能得到所需要的微處理機資源，而HMI則利用其空檔動作。

分散式LabVIEW方便資料的擷取

Compact FieldPoint包含乙太網路功能，讓您可以很容易的分散情報，並掌控在您的機器或生產線之下。但是，除了分散式量測與控制的能力，Compact FieldPoint也有很容易擷取資料的平台，可為首次測試提供很短的時間。硬體組態與軟體API均容易使用，而硬體具內建訊號配置特性，可以迅速的直接與感應器連結，例如cFP-TC-120模組可以過濾熱耦器的訊號，並以16-bit解析度的delta-sigma A/D轉換器量測，從連接器台讀取冷接點(cold-junction)的補償值、執行熱耦器的線性化運算、再以工程單位回報溫度值。

您可使用FieldPoint Explorer的下拉選單做Compact FieldPoint的配置。使用FieldPoint Explorer，您可以配置整個系統，包括網路參數、模組與I/O設定、和名稱頻道的選項。配置乙太網路FieldPoint系統時，FieldPoint Explorer帶您逐項設定網路參數，例如IP位址，並瀏覽FieldPoint Ethernet節點下的區域子網路。您可以透過對話窗口，輕易的設定I/O參數，例如輸入範圍、電源開啟輸出狀態、與看們犬狀態。您還可以互動地測試I/O模組與頻道(使用測試窗口)、檢視輸入資料值、並設定輸出值。

最後，LabVIEW API為一簡單的單點讀寫架構，您可以在LabVIEW使用您在FieldPoint Explorer設定的名稱，開啟對Compact FieldPoint的窗口，並將窗口參考號碼接至FP-Read或FP-Write VI，而VI會將從模組讀取的數值送回，不需要設定緩衝器大小與擷取速率，您與要讀取單一點與寫入單一點。

使用此架構，很容易建立分散式應用，例如您可以建立數據列印站，以記錄溫度、壓力、與流量訊號；感應閥件的狀態；在本地紀錄資料或透過乙太網路傳速資料，這些都很容易以建立LabVIEW VI而辦到。

內嵌式控制

LabVIEW的機構設計、軟體架構、與控制能力，合併起來使Compact FieldPoint成為即時嵌入式控制的理想系統。

機構方面—Compact FieldPoint在策劃時，即設計成擁有正確大小、特性、與規格，可以與嵌入式控制應用良好的工作。第一個決定即是將Compact FieldPoint的體積減至最小，並維持FieldPoint的量測能力。Compact FieldPoint的體積比FieldPoint的一半還小，但卻有相同的量測能力。在許多嵌入式控制的應用裡，控制系統內嵌於一可能受到高度撞擊與震動的機器中。要承受此震動，Compact FieldPoint設計成以強固的金屬背板與鋼製螺絲固定控制器與I/O模組，因此Compact FieldPoint可以承受50g的震動。最後，對於應用Compact FieldPoint於嵌入式控制的機器，本產品線設計成使用37-pin D-sub連接器。感謝這些便宜普遍的連接器，使用者能自行製作纜線架設，減少線路成本，並將低配線錯誤。

軟體架構—標準的控制理論是以點對點決定為根據的，由於Compact FieldPoint使用簡單的點對點讀/寫架構，它自然適合嵌入式控制。使用LabVIEW Real-Time的點對點處理，您可以很容易的執行高階訊號處理與控制，同時維持一容易了解的單點擷取模式。在此應用中，程式每次讀取單點的資料，並將其傳送至執行連續功能的特別函數，如連續平均數、高低值計算、標準誤差、與頻率計算。這些程式能讓您很容易的建立即時控制迴路，而不需要加入複雜的資料收集暫存器。

LabVIEW的控制能力—如果您的應用需要強大的功能與快速的研發，關鍵是在彈性的軟體可以無縫的與硬體整合。LabVIEW是一工業標準的圖形發展環境，可以提供各種創造高階、全功能量測與控制應用所需的工具。LabVIEW能使用各種功能與工具調色板很容易的建立簡單或複雜的應用—從簡單的類比PID製程控制迴路，到包含類比與分離組件的高頻道數合成控制系統。LabVIEW的PID控制工具組含有即用的方塊，供基本與高階PID、前饋、與模糊控制；亦可用於線性與非線性測試、模型製作、與模擬。在發展一控制系統時，您可以善用LabVIEW執行基本控制，或簡單的加入高階控制技術，如擾動隔離、增益排程、與模糊邏輯控制。對於初次使用者，強大的工具如Autotuning PID可以很容易就上手。

資料記錄

Compact FieldPoint控制器都有內建的非揮發性Flash記憶體，供資料記錄用。CFP-2020除了在板的Flash之外，還有一供可移式CompactFlash使用的插槽。您可以儲存高至512MB的資料。資料可以用任何DOS相容的格式儲存，如CSV與XML檔。一旦儲存，資料可以很容易的利用Compact FieldPoint控制器上的嵌入式FTP伺服器轉移至PC。

除了一般的資料記錄所提供，將資料簡單的記錄至磁碟之外，LabVIEW Real-Time使您可以產生在cFP-20xx執行的智慧型資料記錄器。智慧型資料記錄器可以做額外的計算與決定，以減少不需要的資料。在更高級的系統，嵌入式資料記錄器會加入電腦的功能，以執行即時處理與控制。在一Compact FieldPoint的系統，NI將資料減縮、控制演算、HMI、與一些系統中與其他網路節點通訊的能力等，一起合併。

LabVIEW的網路連結技術

Compact FieldPoint最令人興奮的特性之一，是內嵌LabVIEW面板並於網路分享的能力。現在，不需要任何程式，您可以製作互動式網路圖形使用面板。Compact FieldPoint Real-Time控制器包括一嵌入式網路瀏覽器，可以同時處理20個遠端面板連結。有了遠端面板，您可以利用網路瀏覽器連結至您的LabVIEW應用使用者介面之面板，而數個網路瀏覽器客戶可以同時觀看LabVIEW面板，並且依次可以有一位瀏覽者同時觀看與控制此應用。

除了公佈交換式遠端面板連結，您也可以公佈cFP-20xx內建網路伺服器的標準HTML網頁。如此，您可以分享紀錄資料、製作與分享網路報告、並發布一般的網頁。

對於資料分享，Compact FieldPoint系統也有內建的FTP伺服器，讓您能分享紀錄資料，並從遠端更新控制碼與HTML檔。

外部裝置之控制

在許多製程中，您需要從主製程控制器通訊與控制外部裝置。這些可能是RS-232或RS-485序列裝置，或者可能是乙太網路裝置。所有的Compact FieldPoint控制器都含有一個或多個的RS-232序列埠，與一個10/100Base TX乙太網路埠。針對最苛求的控制與數據記錄應用，包括外部裝置之控制如條碼讀取機、GPS機、控制閥、與LCD鍵盤/顯示器，cFP-2020控制器提供三個RS-232埠與一個獨立的RS-485序列埠。RS-485提供低成本、長距離(1.2公里)、多點式網路，供連結外部裝置。這些埠都可以透過LabVIEW程式擷取，以便您可以讀、寫、並控制外接序列埠。有一豐富的資料庫包含現有的序列驅動軟體(例如Modbus)可以很容易的接至協力廠商的工業裝置。如果一個裝置的驅動軟體不存在，則LabVIEW的文字解釋功能使其能很容易的為序列或乙太網路裝置設計一客製的通訊驅動軟體。

延伸您的PLC功能

PLC常被用來根據製程的離散狀態做開關用途，在工業界廣泛使用的PLC最初是根據繼電器邏輯線路，並使用簡單梯階邏輯方式做離散控制。如果您需要增加類比量測、控制、資料記錄、外部裝置的連接、或進階控制，請考慮將LabVIEW與Compact FieldPoint加入您的PLC系統。Compact FieldPoint與LabVIEW式設計來與類比I/O一起運作，能處理大量資料集合、自動製作報告、並將數據與資料顯示給操作員。這些工作在一般的PLC系統是不容易做到的。

有兩種不同的方法可以將Compact FieldPoint整合入現有的PLC系統。第一，對一個真正的嵌入式系統而言，使用序列或乙太網路協定驅動器嵌入於Compact FieldPoint以便與PLC通訊，而許多PLC使用相同的協定如Modbus，使其很容易的使用現有的驅動軟體做PLC通訊。第二個整合PLC的方法是透過一個在網路電腦執行LabVIEW Datalogging與Supervisory Control Module使用OPC連結。由於有協定驅動器，您可以連結超過100個不同類型的PLC，包括Allen Bradley、Siemens、GE、與Omron 的PLC。而這些PLC的I/O自動的使用OPC公佈，並且能很容易的從Compact FieldPoint讀取與寫入。有了此裝置，在PLC為主的系統增加類比量測與控制變得很容易。

LabVIEW的應用無處不在

如果您需要LabVIEW在惡劣的環境中執行，則可以考慮FieldPoint。寬廣的操作溫度範圍(-25至60℃)表示Compact FieldPoint可以執行的應用，其他許多工業PC會產生故障。由於此寬廣的溫度範圍，Compact FieldPoint正被研究使用於阿拉斯加輸油管線，以監督腐蝕與做歷史記錄。對於需要高震動忍受度的應用，Compact FieldPoint模組在I/O模組、控制器模組、與背板之間使用一穩固的螺絲鎖入架，他們也有螺絲鎖入纜線連接器以供接至背板的37 pin D-sub連接器，而這些正閂機構減少了機械撞擊與震動引起的斷接故障。此模組的規格是可以承受50g的撞擊(根據IEC 68-2-27)與5g的震動從10至500Hz(根據IEC 60068-2-34)。Compact FieldPoint平台是為高度震動如車輛上監控與資料記錄而設計的。

Compact FieldPoint也設計成在有電磁雜訊干擾的地區能動作，各金屬背板有接地螺絲，可以提供靜電電荷排出的路徑。系統的設計亦完全符合沒有金屬屏蔽的CE規格，表示這些機組能夠在交換機房裝設，而不需增加成本，以裝設完全屏蔽與接地的封閉體。最後，Compact FieldPoint模組可以熱更換，以供迅速維護與裝設。另外還有可程式開機與看們犬狀態的性能，以供可預測之操作。

FieldPoint已解決了許多應用問題，從達文西手抄本到香菇與淹漬罐頭的自動化機器，以至於控制鑽由設備，與卡車引擎機動測試。建立在此基礎上，Compact FieldPoint將訊號調整、擷取、與LabVIEW嵌入式程式合併成一體積更小、更耐用的模組，使之更容易建立小型分散式控制與量測系統。請至www.ni.com/fieldpoint查詢其他客戶的成功故事。

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