Grafisches Systemdesign für die Maschinensteuerung

Entwicklung von Embedded-Systemen für die Maschinensteuerung mithilfe einer einzigen, automatisierten grafischen Programmierplattform und PACs (Programmable Automation Controllers)

von Todd Dobberstein und Brian MacCleery

 

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Mehr über CompactRIO und grafisches Systemdesign erfahren Sie unter ni.com/compactrio.

Einleitung

Die traditionelle Methode beim Design von Embedded-Maschinensteuerungssystemen umfasst mehrere Entwicklungsphasen. Jede davon erfordert spezielle EDA-Werkzeuge (EDA = Electronic Design Automation) wie etwa Anwendungen zur Erstellung von Zustands- und Flussdiagrammen, eine SPICE-Schaltungssimulation, Leiterplattenlayout und -routing, Werkzeuge für die Entwicklung von Steuer- und Regelanwendungen, Finite-Element-Analyse, C- und VHDL-Sprachen, mehrere zielspezifische Compiler und HMI-Werkzeuge (HMI = Human-Machine Interface).

Neue, hoch automatisierte Werkzeuge für das grafische Systemdesign (GSD) und PAC-Hardwaresysteme unterstützen den Anwender bei der Optimierung des Entwicklungsprozesses für Maschinensteuerungssysteme. Diese neuen GSD-Werkzeuge ermöglichen die komplette individuelle Anpassung von rekonfigurierbaren FPGAs, Echtzeitprozessoren und industriellen I/O-Modulen mithilfe der grafischen Programmiersprache LabVIEW von National Instruments. Werkzeuge von NI LabVIEW gewähren offenen Zugriff auf Low-Level-Ressourcen und nutzen gleichzeitig die einfache Embedded-Programmierung sowie hunderte integrierter Funktionen zur Automatisierung gängiger Maschinensteuerungsaufgaben. PAC-Hardwaresysteme, wie etwa das kostengünstige Embedded-System CompactRIO, wurden für die nahtlose Integration der GSD-Werkzeuge aus LabVIEW konzipiert. Mit PACs lassen sich fortschrittliche Systeme entwerfen, die nicht nur Softwarefunktionen wie z. B. eine erweiterte Regelung, Kommunikation, Datenprotokollierung und Signalverarbeitung, sondern auch einen robusten Controller umfassen, der Logik, Motorsteuerung, Prozesssteuerung und Bildverarbeitung ausführt.

Abbildung 1: Grafische Programmierwerkzeuge für die Entwicklung von Embedded-Systemen

Anwenderdefinierte FPGA-Logik

Um von der Zuverlässigkeit und Leistung rekonfigurierbarer FPGA-Hardware zu profitieren, muss niemand mehr Experte in der VHDL-Programmierung sein. Das LabVIEW FPGA Module ermöglicht die schnelle Entwicklung programmierbarer Logikanwendungen für CompactRIO: Basierend auf dem grafischen Programm wird VHDL-Code erzeugt und automatisch optimiert, synthetisiert und geladen. LabVIEW bietet eine umfassende Programmiersprache für RIO-Hardware. Sie nutzt auch die Fähigkeit von FPGAs zur parallelen Verarbeitung und erlaubt die Programmcodeausführung innerhalb eines einzigen FPGA-Taktzyklus (40 MHz). Neben grundlegenden Programmierstrukturen und digitalen Logikfunktionen können per Drag and drop Funktionsblöcke für die Motorsteuerung, analoge PID-Regelung, Analyse, Signalerzeugung, Filter u.v.m. abgelegt werden.

 Abbildung 2: Parallele Hochgeschwindigkeitsschleifen in LabVIEW FPGA

Harte Echtzeit

Mit dem LabVIEW Real-Time Module können über 650 integrierte LabVIEW-Funktionsblöcke für Motorsteuerung, PID-Regelung, Analyse u. v. m. für die deterministische Ausführung auf einem Fließkommaprozessor genutzt werden. Eine Echtzeitanwendung umfasst meist zwei wichtige Schleifen, die zeitkritische und die mit normaler Priorität. Um die deterministische Interaktion mit FPGA-I/Os zu gewährleisten, verfügt die zeitkritische Schleife über eine Schnittstelle zum FPGA. Die Ausführung dieser Schleife kann über Interrupt Requests synchronisiert werden. Die zeitkritische Schleife übernimmt die Steuerung und Regelung, während die Schleife mit normaler Priorität in der Echtzeitanwendung für die Datenspeicherung, -analyse und die Kommunikation mit einem vernetzten Host-Computer zuständig ist. 

Abbildung 3: Deterministische Echtzeitverarbeitung in LabVIEW Real-Time

Human-Machine Interface (HMI)

Eine Benutzeroberfläche zu einem Embedded-Maschinensteuerungssystem kann von jedem Windows-, Linux- oder Macintosh-Computer bereitgestellt werden. LabVIEW Echtzeitcontroller verfügen über einen integrierten Web-Server, der die Echtzeit-Benutzeroberfläche automatisch über ein Netzwerk an den Host-Computer übermittelt, so dass eine HMI ohne zusätzliche Programmierung erstellt werden kann.

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Abbildung 4: Integrierte HMI ohne zusätzliche Programmierung

Hardwarearchitektur

CompactRIO ist ein robustes, rekonfigurierbares Embedded-System, das aus drei Komponenten besteht: aus industriellen I/O-Modulen, einem rekonfigurierbaren FPGA und einem Echtzeitcontroller.

Abb. 5: Hardwarearchitektur eines rekonfigurierbaren Embedded-Systems

Industrielle I/O-Module

Die I/O-Module enthalten Isolierung, einen Wandlerschaltkreis, Signalkonditionierung und eine Anschlussmöglichkeit für die direkte Anbindung an industrielle Sensoren und Aktoren. Aufgrund der Tatsache, dass die Anschlusstechnik in die Module integriert ist, werden der Platzbedarf sowie die Kosten für die Anschlusstechnik gesenkt. Zur Verfügung stehen verschiedene I/O-Typen, so zum Beispiel Thermoelementeingänge für ±80 mV, Analog-I/Os zur simultanten Abtastung mit ±10 V, industrietaugliche Digital-I/Os mit Ausgangsstromstärken von bis zu 1 A für 24 V, differentielle/TTL-Digitaleingänge und Eingänge für IEPE-Beschleunigungsmesser mit 24 bit.

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Abbildung 6: CompactRIO-I/O-Module mit Sub-D-Kabel-, BNC- und Schraubklemmenanschlüssen

Rekonfigurierbare FPGA-Chassis

Das rekonfigurierbare-FPGA Chassis ist das Herzstück der Embedded-Systemarchitektur Der RIO-FPGA-Chip ist mit den I/O-Modulen in Sternform verbunden. Dies bietet direkten Zugang zu jedem Modul und gestattet so präzise Steuerung und unbegrenzte Flexibilität für Timing, Triggerung und Synchronisation. Da jedes Modul mit dem FPGA direkt und nicht über einen Bus verbunden ist, kommt es im Gegensatz zu anderen industriellen Controllern bei der Systemantwort kaum zu einer Latenzzeit. Ein einziges Chassis schafft simultan mehr als 20 analoge PID-Regelschleifen mit einer Geschwindigkeit von 100 kHz.

 

Abbildung 7. Rekonfigurierbares CompactRIO FPGA Chassis

„Die Rekonfigurierbarkeit von CompactRIO und LabVIEW FPGA ändert die Regeln für die Maschinensteuerung und die Vibrationsüberwachung. Das Endergebnis ist ein robustes, kostengüstiges Embedded-System, das für eine Vielzahl von Anwendungen und in Umgebungen eingesetzt wird, in denen die übliche Ausstattung ungeeignet wäre.“

- Darren Lingafeldt, Systemingenieur bei Nexjen Systems, Anbieter von hochleistungsfähigen mechanischen Vorrichtungen und kundenspezifischen Vibrationsüberwachungssystemen

Echtzeitcontroller

Der Echtzeitcontroller beinhaltet einen industrietauglichen Prozessor, der Applikationen in LabVIEW Real-Time zuverlässig und deterministisch ausführt und die Steuerung und Regelung mit mehreren Abtastraten, einen Einblick in die Applikationsführung und die Kommunikation mit Peripheriegeräten ermöglicht. Der Echtzeitcontroller verfügt außerdem über Eingänge für redundante Stromversorgung mit 11 – 30 VDC, einen frei konfigurierbaren DIP-Schalter, LED-Statusanzeigen, einen Echtzeittakt, Watchdog-Timer und weitere höchst zuverlässige Funktionen.

 

Abbildung 8: CompactRIO Echtzeitcontroller

CompactRIO Spezifikationen

 

Siehe auch:
Produktzertifikate und Normen zu CompactRIO
Produkthandbücher mit detaillierten Spezifikationen von CompactRIO
Produktabmessungen von CompactRIO

Entwicklung anwenderdefinierter Module

Mit dem CompactRIO Module Development Kit können Anwender benutzerdefinierte Module entwickeln, um anwendungsspezifischen Anforderungen gerecht zu werden. Das Kit bietet Zugang zur Low-Level-Architektur des CompactRIO Embedded-Systems, so dass auch spezielle I/Os, Kommunikations- sowie Steuer- und Regelmodule entworfen werden können. Es beinhaltet LabVIEW-FPGA-Bibliotheken für die Anbindung an den anwenderdefinierten Modulschaltkreis für die Kommunikation mit über 40 Mb/s.

Abb. 9 und 10 zeigen Schaltplan und Layout eines anwenderdefinierten CompactRIO Moduls mit variabler Reluktanz.

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Abbildung 9: Schaltplan eines Moduls mit variabler Reluktanz

Abbildung 10: Vollständiges Leiterplattenlayout eines anwenderdefinierten Moduls

„CompactRIO und das Module Development Kit bieten ein leistungsstarkes universelles System für die Prototypenerstellung, das die Entwickler von Steuer- und Regelsystemen unter Zuhilfenahmen von handelsüblichen Werkzeugen für die schnelle Implementierung höchst benutzerdefinierter Embedded-Systeme verwenden.“

– Caroll G. Dase, President bei Drivven, Inc., Anbieter von Steuer-, Regel- und Datenerfassungslösungen für den Automobilbereich

Das Unternehmen Process Automation Corporation nutzt CompactRIO zur Erstellung eines Steuer-, Regel- und Datenerfassungssystems, das auf mehreren Kanälen mit hoher Geschwindigkeit analoge Daten erfasst, anwenderdefinierte Algorithmen ausführt und die deterministische Steuerung und Regelung für den Betrieb eines verifizierbaren Montagewerkzeugs für die Metallbefestigung erlaubt. Diese Anwendung erforderte ein höchst leistungsfähiges, zuverlässiges System, damit während der Erfassung in Echtzeit der richtige Haltepunkt für das Werkzeug berechnet werden kann, denn Drehmoment und Verschiebung ändern sich bei der Befestigung an Materialien mit unterschiedlicher Dichte und Dicke.

Der größte Vorteil, den die Process Automation Corporation in CompactRIO sah, ist seine Fähigkeit, Daten von Systemsensoren mit einer Geschwindigkeit zu erfassen und zu verarbeiten, die sonst nur von äußerst kostspieligen, anwenderdefinierten Hardwarelösungen erreicht werden kann. Aufgrund des geringen Platzbedarfs und des Betriebs als Embedded-System war die Process Automation Corporation in der Lage, Stand-alone-Embedded-Anwendungen für die Hardwaresteuerung viel schneller und kostengünstiger zu entwickeln.

 

Abbildung 11: Verifizierbare Halterungsmontagemaschine

„Zusammen mit dem guten Ruf von National Instruments in Bezug auf zuverlässige Technologie und ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis hat sich die CompactRIO-Plattform als die kosteneffektivste für diese Anwendung erwiesen. Das CompactRIO System bietet ausreichend Rechenleistung, so dass mehrere Halterungsmontagewerkzeuge von einem einzigen CompactRIO Chassis aus operieren können. Damit ist CompactRIO mehr als doppelt so kosteneffizient wie das bisher genutzte System.“

– Greg Sussman, Automation Systems Consultant bei der Process Automation Corporation

Abbildung 12 zeigt drei anwenderdefinierte Module der Drivven, Inc. für die Steuerung und Regelung von Zündkerzen und Einspritzdüsen eines Motorrads des Typs Yamaha YZF-R6 mit Geschwindigkeiten von über 15.500 Umdrehungen pro Minute.

 

Abbildung 12: Implementierung anwenderdefinierter Module

Typische Maschinensteuerungsanwendungen:

• Industrielle Verpackung
• Schweißmaschinen
• Hochgeschwindigkeits-Motorsteuerung
• Mischen chemischer Substanzen
• Befestigungsmaschinen
• Vorbeugende Wartung

Mehr über das grafische Systemdesign erfahren Sie unter ni.com/compactrio:

• Whitepaper zur Maschinensteuerung
• Beispielprogramme zur Maschinensteuerung
• Webcasts
• Online-Schulung zu CompactRIO
• Kundenlösungen mit CompactRIO
• Vorlagen für anwenderdefinierte Module