Extreme Lösungen am Rande und darüber hinaus mit NI CompactRIO

​Die Auswahl des optimalen CompactRIO-Controllers für eine Real-Time-Automatisierungssteuerungsarchitektur erfordert ein differenziertes Verständnis der Kompromisse zwischen Rechendichte, FPGA-Fabrikkomplexität und peripherer Konnektivität. Bei der Auswahl eines Controllers stehen derzeit zwei NI-Familien zur Auswahl: die cRIO-904x-Serie und die cRIO-905x-Serie. Diese Controller bilden die Grundlage für Embedded-Regelsysteme in Echtzeit und bieten Flexibilität und Leistung, die über herkömmliche SPS-basierte Designs hinausgehen. Beim Vergleich der Architekturen von CompactRIO mit SPS und anderen Plattformen bietet CompactRIO eine ideale Kombination aus enger Integration von Echtzeitverarbeitung und FPGA-Beschleunigung, Robustheit und einem kleinen, lüfterlosen Formfaktor. 

​Beide NI CompactRIO Familien bieten eine deterministische Ausführungsumgebung über NI Linux Real-Time. Dieses Betriebssystem basiert auf einem Standardkernel, ist jedoch für die Anforderungen der industriellen Steuerung mit geringer Latenz optimiert und unterstützt sowohl NI LabVIEW Real-Time als auch ein großes Ökosystem aus C/C++- und Python-Tools. 

​Der Hochleistungs-Controller cRIO-904x

​Der CompactRIO-Controller cRIO-904x wurde für High-End-Anwendungen entwickelt, die eine erhebliche Onboard-Verarbeitung und eine integrierte Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) erfordern. Die Architektur wird durch den Xilinx KintexTM 7 FPGA definiert, der im Vergleich zum ArtixTM 7 im cRIO-905x eine höhere Anzahl logischer Zellen und robustere DSP-Segmente bietet. Mit diesem FPGA eignet sich das cRIO-904x besser für Anwendungen mit komplexen Regelalgorithmen, Hochgeschwindigkeits-Vision-Integration oder massiver paralleler Datenverarbeitung. 

​Einer der wichtigsten Unterschiede beim cRIO-904x ist seine Konnektivität. Es enthält zwei integrierte serielle Ports (unterstützt RS-232 und RS-485) und einen USB-3.1-Typ-C-Port mit DisplayPortTM Alternate Mode (DP Alt Mode). Dieser Alt-Modus ermöglicht es dem Controller, einen externen Monitor direkt anzusteuern, wodurch die „embedded UI“-Funktion aktiviert wird, bei der eine lokale HMI vom Prozessor gerendert werden kann, ohne dass ein separater Industrie-PC benötigt wird.

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​Regler für optimierte Werte des cRIO-905x

​Das cRIO-905x ist eine kostengünstigere Alternative, die die Robustheit und den Determinismus der Plattform nicht beeinträchtigt. Durch die Verwendung der FPGA-Technologie von Xilinx Artix 7 bieten diese Controller ein ausgewogenes Leistungsprofil für industrielle Standardaufgaben wie Temperaturüberwachung, Regelschleifen mit niedriger bis mittlerer Geschwindigkeit und verteilte Datenprotokollierung.

​Dem cRIO-905x fehlen zwar die integrierten seriellen Ports, die Full-Size-SD-Karte und der direkte DisplayPort-Videoausgang des cRIO-904x, aber es verfügt über einen microSD-Kartensteckplatz für entfernbaren Speicher, was sehr vorteilhaft für Datenprotokollierungsanwendungen ist, bei denen große Datenmengen physisch übertragen werden müssen. Das cRIO-905x ist oft die bevorzugte Wahl für verteilte „headless“ Knoten, die über Ethernet mit einem zentralen Server oder HMI kommunizieren.

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Die Integration eines FPGAs in die CompactRIO-Architektur ermöglicht deterministische Steuerungssysteme und Echtzeitfunktionen zur Motorsteuerung. Diese Eigenschaft macht CompactRIO ideal für Hochleistungsanwendungen wie prädiktive Steuerung und Überwachung in Echtzeit. So ermöglicht z. B. der Kintex 7 FPGA eine komplexe Echtzeitsteuerung und Hochgeschwindigkeits-Parallelverarbeitung, wobei der FPGA als programmierbare Backplane fungiert, die die Kommunikation zwischen den I/O-Modulen der C-Serie und dem Echtzeitprozessor verwaltet.

Kintex 7 und Artix 7

Die Wahl zwischen diesen beiden FPGA-Familien ist ein Haupttreiber der Systemkosten und -funktionen. Der Kintex 7 ist ein Mittelklasse-FPGA mit hoher Logikdichte und Leistung pro Watt. Die größere Anzahl logischer Zellen ermöglicht die Implementierung komplexer digitaler Signalverarbeitungsalgorithmen in Hardware. So enthält das Kintex 7 325T des cRIO-9049 mehr als 325.000 Logikzellen und 840 DSP-Segmente, die die Implementierung von Filtern hoher Ordnung, schnellen Fourier-Transformationen (FFTs) und mehrachsigen Motorsteuerungsprofilen ermöglichen, die die CPU überfordern würden.

Umgekehrt ist das Artix 7 für einen geringeren Stromverbrauch und kleinere Stellflächen optimiert und somit ideal für das cRIO-905x. Trotz der Option "Wert" verfügt ein FPGA des Typs Artix 7 100T immer noch über ausreichende Ressourcen für die meisten Standardaufgaben der industriellen Steuerung, einschließlich PWM-Erzeugung, Quadratur-Encoder-Dekodierung und benutzerdefinierter digitaler Triggerung. Das cRIO-904x erfüllt in der Regel engere Zeitvorgaben, was ein Ergebnis der überlegenen Verbindungs- und Taktarchitektur des Kintex-Gewebes ist.

​Eine der innovativsten Funktionen von Controllern des Typs cRIO-904x und 905x ist die Möglichkeit, den Programmiermodus pro Slot zwischen Real-Time NI-DAQmx, LabVIEW FPGA und Real-Time Scan Mode auszuwählen. Dieser „Hybridmodus“ ermöglicht es Entwicklern, benutzerfreundliche High-Level-Treiber mit benutzerdefinierter Low-Level-Hardware in einem einzigen Chassis zu kombinieren.

NI-DAQmx-Programmiermodus (Real-Time)

Die Einführung von NI-DAQmx in die moderne CompactRIO-Plattform hat zu einer positiven Verschiebung der Entwicklerproduktivität geführt. In der Vergangenheit erforderte CompactRIO für die meisten Tasks fortgeschrittenere Programmiertechniken. Im NI-DAQmx-Modus funktioniert ein Modul der C-Serie wie ein CompactDAQ-Chassis, obwohl es als Teil eines CompactRIO-Systems verwendet wird. Der NI-DAQmx-Treiber, der Standardtreiber für alle NI-DAQ-Produkte, bietet eine vertraute Schnittstelle für Ingenieure für die schnelle Entwicklung von Task-Konfiguration, Timing und Triggerung. Dieser Modus reduziert die Entwicklungszeit im Vergleich zu herkömmlichen CompactRIO-Programmieransätzen erheblich.

Dieser Modus wird für Steuerraten bis zu 5 kHz bei Controllern des Typs cRIO-904x und 2,5 kHz bei Controllern des Typs cRIO-905x empfohlen. Es unterstützt die hardwaregetaktete Einzelwerterfassung, was für Regelschleifen unerlässlich ist, die die Verarbeitung des neuesten Samples mit minimaler Latenz ohne den Overhead der Pufferverwaltung erfordern. In diesem Modus werden die Module im Projekt-Explorer unter Programmmodus > Real-Time-Ressourcen angezeigt.

Abbildung 1: Im Measurement & Automation Explorer (MAX) können einzelne Module in drei verschiedenen Programmiermodi konfiguriert werden.

Programmiermodus für LabVIEW FPGA

Für Anwendungen, die eine höhere Leistung, benutzerdefiniertes Timing oder Synchronisation im Mikrosekundenbereich erfordern, bleibt der Programmiermodus LabVIEW FPGA (mit dem LabVIEW FPGA Module) die erste Wahl. Dieser Modus bietet direkten Zugriff auf die FPGA-Struktur. Sie erstellen ein LabVIEW FPGA VI, das Sie in eine Hardware-Bitdatei kompilieren und auf den Controller übertragen.

LabVIEW FPGA-Programmierung ist für alle Steuerraten von mehr als 5 kHz oder für Tasks erforderlich, die ohne Jitter ausgeführt werden müssen, z. B. Hochfrequenz-PWM oder benutzerdefinierte Kommunikationsprotokolle. Um diesen Modus zu verwenden, müssen Sie das LabVIEW FPGA Module auf Ihrem Entwicklungshost installieren.

Modus "Real-Time-Scan (I/O-Variablen)"

Das RIO Scan Interface (Scan Mode) ist für die schnelle Entwicklung von langsamen Steuer- und Überwachungssystemen (typischerweise < 1 kHz) konzipiert. LabVIEW programmiert den FPGA automatisch mit einer festen Bitdatei, die alle Module mit einer benutzerdefinierten Rate abfragt und die Daten als I/O-Variablen darstellt. Obwohl die empfohlene Methode für die meisten modernen Systeme der Real-Time-NI-DAQmx-Modus ist, kann der Scan-Modus bei Systemen, bei denen I/O-Module häufig ausgetauscht werden, vorteilhaft sein, da er die dynamische Erkennung von Modultypen unterstützt. 

Hier lernen Sie den Scan-Modus.

Tabelle 1: Vergleich der Programmiermodi für cRIO-904x und cRIO-905x.

Die Vielseitigkeit der CompactRIO-Plattform basiert auf dem Modul-Ökosystem der C-Serie, das eine skalierbare Datenerfassung mit mehreren Kanälen (DAQ) in einer Vielzahl von Anwendungen ermöglicht, bei denen mehr als 100 verschiedene Module für eine Reihe von Signaltypen, Umgebungsbedingungen und Anwendungen wie Hochgeschwindigkeits- und Präzisionsmesssysteme verwendet werden.

Architektur für analoge Erfassung

Bei der Auswahl des richtigen Analogeingangsmoduls werden die erforderliche Auflösung (Bit), Sample-Rate und Isolation ermittelt. NI verwendet drei Hauptarchitekturen für AI-Module der C-Serie:

1. Architekturen basierend auf aufeinander folgenden Approximationsregistern (SAR)—Diese Module wie NI-9201 und NI-9205 sind universell einsetzbar und verfügen oft über Multiplexeingänge. Sie eignen sich für Messungen mit mittlerer Geschwindigkeit wie Druck oder Durchfluss.
2. Architekturen basierend auf Delta-Sigma—Diese Architektur wird in hochauflösenden Modulen (z. B. NI-9234, NI-9232 und NI-9250) verwendet und bietet hervorragendes Antialiasing und ist der Standard für Schall-, Schwingungs- und Präzisionsdehnungsmessungen.
3. Architekturen basierend auf simultaner Abtastung—Diese Module wie das NI-9223 verfügen über einen speziellen A/D-Wandler pro Kanal, wodurch keine Phasenverzögerung zwischen Messungen gewährleistet wird, was für die Stromversorgungsqualität oder Hochgeschwindigkeitsstrukturanalyse entscheidend ist.

Temperatur- und Spezialsensormodule

Die Temperaturmessung ist ein Eckpfeiler von Überwachungssystemen. NI bietet Module speziell für Thermoelemente wie das NI-9213 sowie Widerstandstemperaturfühler (RTDs) wie das NI-9216. Diese Module umfassen integrierte Kaltstellenkompensation (CJC) und hochauflösende A/D-Wandler zur Verarbeitung der für Temperatursensoren charakteristischen Millivolt-Signale. 

Dehnungs-/Brückenmodule wie das NI-9237 bieten eine integrierte Brückenergänzung für Viertel-, Halb- und Vollbrückensensoren sowie programmierbare Erregerspannungen.

Digital-I/O und industrielle Steuerung

Digitalmodule (NI-94xx) mit Industrielogikpegeln, in der Regel 5 V TTL oder 24 V Industrielogik. Das NI-9401 ist ein beliebtes bidirektionales Hochgeschwindigkeits-Digitalmodul, während das NI-9477 ein stromziehendes Digitalausgangsmodul mit 32 Kanälen ist, das für die Ansteuerung industrieller Magnetspulen und Relais mit bis zu 60 V ausgelegt ist.

Neben Standard-I/O unterstützt CompactRIO eine Vielzahl industrieller Kommunikationsprotokolle wie EtherCAT (als Master), 802.1AS oder Time-Sensitive Networking (TSN), CAN, CANopen und Modbus für die Echtzeitüberwachung und -steuerung. Das NI-9862 bietet eine CAN-Schnittstelle mit nur einem Port und NI-XNET-Treiberunterstützung, die für Tests in der Automobil- und Luft- und Raumfahrt unerlässlich ist. Bei älteren seriellen Geräten fügt das NI-9870 dem System vier RS-232-Ports hinzu. Diese Optionen machen CompactRIO ideal für industrielle Überwachung und Steuerung sowie Fernüberwachung und -steuerung für Industriemaschinen, Echtzeit-Prozesssteuerung und verteilte Industriesysteme.

Systemerweiterung

Ein Controller mit 8 Slots bietet zwar eine erhebliche I/O-Dichte, aber viele Anwendungen erfordern zusätzliche Slots, da sie über das Chassis mit 8 Slots hinausgehen. cRIO-904x und cRIO-905x unterstützen verschiedene Erweiterungsmethoden:

1. cDAQ-9185/9189 Chassis: Die Verwendung der TSN-Funktion (Time-Sensitive Networking) des cRIO-904x/905x mit einem cDAQ-9185/9189-Chassis, das mit NI-DAQmx arbeitet, ist ein Weg zur Erweiterung der I/O bei gleichzeitiger Hochgeschwindigkeitssynchronisation.
2. NI-9145 EtherCAT CompactRIO-Chassis: Das Anschließen eines cRIO-Controllers an das EtherCAT-Slave-Chassis NI-9145 mit 8 Steckplätzen bietet ein deterministisches Industrieprotokoll, das sich ideal für die Motorsteuerung und verteilte Echtzeitaufgaben eignet. EtherCAT RIO arbeitet mit einer Daisy-Chain-Topologie und unterstützt bis zu 65.535 Slaves.
3. Ethernet-CompactRIO-Chassis des Typs NI-9149: Das NI-9149-Ethernet-CompactRIO-Chassis eignet sich am besten für die verteilte Überwachung, bei der harter Determinismus weniger kritisch ist, aber Standard-Netzwerkflexibilität gewünscht wird.

In industriellen Umgebungen wird die Signalintegrität oft durch Erdschleifen und elektromagnetische Störungen (EMI) beeinträchtigt. CompactRIO-Module beheben dies durch verschiedene Isolationsstrategien:

• Kanal gegenüber Erde—Schützt das System vor Hochspannungsüberspannungen und stellt sicher, dass der Controller nicht durch Erdpotentialunterschiede beschädigt wird.
• Kanal-zu-Kanal-Isolation—Jeder Kanal ist elektronisch von den anderen isoliert und bietet ein Höchstmaß an Störfestigkeit und Sicherheit.
• Bankisolierung—Eine Gruppe von Kanälen hat eine gemeinsame isolierte Masse, die einen Mittelweg zwischen Kosten und Schutz bietet. 

CompactRIO-Module bieten eine hohe DAQ-Leistung bei gleichzeitig robuster DAQ-Hardware in rauen Umgebungen. Die Robustheit der Plattform wird durch ihre Umwelteinstufungen unter Beweis gestellt. Die meisten Module und Controller sind für einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis 70 °C ausgelegt und halten 50 g Schock und 5 g Vibration stand. Für extrem raue Umgebungen ist eine konforme Beschichtung für viele Modelle verfügbar, um vor Feuchtigkeit und Verunreinigungen zu schützen. Diese verbesserte Robustheit und Zuverlässigkeit macht CompactRIO zur idealen Lösung für die industrielle Datenerfassung in rauen Umgebungen.

Eine erfolgreiche CompactRIO-Verteilung hängt von der richtigen physischen Infrastruktur ab. CompactRIO ermöglicht mobile Datenerfassung in rauen DAQ-Anwendungen, bei denen Haltbarkeit und thermisches Design entscheidend sind. Die richtige Integration gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb des CompactRIO-Chassis in industriellen Systemen. Diese Umgebung umfasst die Auswahl geeigneter Stromversorgungen, die Montage von Hardware und die Sicherstellung des Wärmemanagements.

Systemauswahl

Das cRIO-904x und das cRIO-905x benötigen eine Gleichspannungsquelle von 9 V bis 30 V. Für industrielle Installationen sind DIN-Schienen-Stromversorgungen wie das NI PS-25 (24 VDC, 5 A) die Standardwahl. Über redundante Stromversorgungen an Controllern der cRIO-904x-Serie können zwei separate Stromversorgungsquellen angeschlossen werden, wodurch sichergestellt wird, dass ein einzelner Versorgungsausfall nicht zu einer Systemabschaltung führt – ein wichtiges Merkmal für die geschäftskritische Überwachung.

Tabelle 2: Zubehör für CompactRIO-Systeme.

Montage- und Wärmedesign

CompactRIO wurde für die Montage auf einer metallischen Oberfläche entwickelt, die als Kühlkörper fungiert. NI empfiehlt eine spezielle „Bezugsmontagekonfiguration“ (horizontale Ausrichtung), um die maximal angegebene Betriebstemperatur zu erreichen.

• Panelmontage—Das direkte Verschrauben des Chassis mit einem metallischen Panel ist die beste Methode für Umgebungen mit hohen Vibrationen.
• DIN-Schienenmontage—Mit den NI-990x-Kits kann das Chassis auf eine 35 mm lange DIN-Schiene aufgesteckt werden.
• Rackmontage—Für die Integration in Serverschränke werden 19-Zoll-Rackgehäuse oder NI-Rackkits verwendet.

Sicherheit am gefährlichen Standort

Für den Einsatz in Öl-, Gas-, Chemie- oder Pharmaanlagen sind cRIO-904x und cRIO-905x für gefährliche Standorte der Klasse I, Division 2 und ATEX Zone 2 zertifiziert. Diese Zertifizierungen zeigen, dass die Hardware unter normalen Betriebsbedingungen keine Zündquelle liefert. Installateure müssen jedoch bestimmte „Ex ec“-Richtlinien (erhöhte Sicherheit) einhalten, z. B. die Verwendung von Gehäusen der Schutzart IP54 und sicherstellen, dass Module nicht entfernt werden, während das System mit Strom versorgt wird, es sei denn, es ist bekannt, dass der Bereich ungefährlich ist.

Die Wartung eines CompactRIO-Systems erfordert eine sorgfältige Softwareversionierung. Um den CompactRIO-Controller vollständig nutzen zu können, benötigen Sie LabVIEW, das LabVIEW Real-Time Module und das LabVIEW FPGA Module. Mit bestimmten Einschränkungen können Sie den Controller auch mit Python und C/C++ programmieren. Zum Erstellen benutzerdefinierter Bitdateien für den FPGA wird das LabVIEW FPGA Module benötigt. Ingenieure verwenden häufig auch beliebte HIL-Tools wie NI VeriStand für Echtzeit-Kontrollsysteme.

NI-Utility für die Hardwarekonfiguration

Das NI Hardware Configuration Utility ist das Hauptwerkzeug für die Systemerkennung und -konfiguration. Wenn ein neuer Controller über USB oder Ethernet angeschlossen ist, installieren Sie mit Hilfe des NI-Hardwarekonfigurationsprogramms das Betriebssystem NI Linux Real-Time, formatieren das interne Laufwerk und installieren alle Treiber und Software, die Sie für die Verwendung benötigen. Das Utility bietet auch Testpanels, um zu überprüfen, ob der Controller und die Module ordnungsgemäß kommunizieren, bevor eine einzelne Codezeile geschrieben wird.

Sicherheit ist sehr wichtig geworden, da Unternehmen beim Einsatz von CompactRIO-Systemen die Cybersicherheit von industriellen Steuerungssystemen und die Edge-Computing-Sicherheit berücksichtigen müssen. Wir bieten Richtlinien im Einklang mit Sicherheitsstandards für industrielle Steuerungssysteme und SCADA-Cybersicherheitspraktiken. 

Hier finden Sie aktuelle Informationen zu relevanten Sicherheitsproblemen, die CompactRIO betreffen.

CompactRIO für Steuerungs- und Überwachungsanwendungen stellt eine strategische Investition in die Langlebigkeit und Leistungsfähigkeit Ihres Steuerungssystems dar. Durch den Einsatz des NI-DAQmx-Treibers können Sie die Entwicklungszeit, die traditionell mit FPGA-basierten Systemen verbunden ist, erheblich verkürzen. Durch die Integration von Technologien wie TSN ist das System für die Zukunft verteilter, netzwerksynchronisierter Messungen gerüstet.

Die Leistungsfähigkeit und Leistungsfähigkeit der CompactRIO-Plattform bilden eine unübertroffene Grundlage für industrielle Innovationen. Unabhängig davon, ob es sich um einen chirurgischen Roboter oder ein geografisch verteiltes Strukturüberwachungsnetzwerk handelt, CompactRIO bietet die Robustheit einer SPS mit der nahezu unendlichen Flexibilität eines benutzerprogrammierbaren FPGAs.

• Erstellen Sie Ihr eigenes CompactRIO-System
• NI LabVIEW for CompactRIO Developer's Guide
• Katalog für Module der C-Serie