Entwickeln von Steueranwendungen mit Datenerfassungshardware und NI-DAQmx

Bei hunderten von Hardwareoptionen müssen Sie bei der Auswahl des richtigen DAQ-Geräts für eine Regelanwendung mehrere Faktoren berücksichtigen. Zuerst sollten Sie die Kanalanzahl, den Datentyp, die Filter- und Signalaufbereitungsanforderungen für die Sensoren verstehen, die Sie in Ihrer Datenerfassungsanwendung verwenden möchten. Als nächstes müssen Sie die Leistung kennen, die Sie von Ihrem DAQ-Gerät benötigen: Genauigkeit, Auflösung, Determinismus und Latenz, um klare Signale mit angemessenen Sample-Raten zu erfassen. Dadurch wird festgelegt, welche DAQ-Plattform Sie wählen sollten.

Sobald Ihre I/O vollständig verstanden ist, können Sie die richtige Hardwareplattform für Ihre Anwendung auswählen. Alle nachfolgend aufgeführten Systeme können mit Hilfe der NI-DAQmx-API programmiert werden, um schnell und einfach auf Daten zuzugreifen und die Steuerung durchzuführen.

NI-DAQmx, die Treibersoftware zur Kommunikation mit NI-DAQ-Messgeräten, ist in mehr als 200 Datenerfassungsgeräten von National Instruments enthalten. NI-DAQmx unterstützt mehrere Programmiersprachen wie NI LabVIEW, LabWindowsTM/CVI, ANSI C/C++, Visual Basic 6.0 und C#/Visual Basic .NET. NI-DAQmx bietet spezifische deterministische Funktionen wie hardwaregetaktete Einzelwertfunktionsaufrufe und Unterstützung für LabVIEW Real-Time-Betriebssysteme.

In diesem Whitepaper wird die Verwendung des NI-DAQmx-Treibers mit LabVIEW behandelt. Die grafische Programmiersoftware LabVIEW bietet eine einfach zu bedienende Entwicklungsumgebung, die speziell für die Anforderungen von Ingenieuren und Wissenschaftlern entwickelt wurde. Ohne Vorkenntnisse in der Programmierung können Sie Ihre Hardware konfigurieren, Sensormessungen durchführen, den Messwert mit dem gewünschten Sollwert vergleichen und Ausgangssignale aktualisieren. Der NI-DAQmx-Treiber bietet grafische Funktionen zum Lesen und Schreiben von Werten und zur direkten Interaktion mit der Hardware-I/O. LabVIEW bietet die beste Integration zwischen Software und Hardware, reduziert den Programmieraufwand und spart Entwicklungszeit.

Die API (Application Programming Interface) von NI-DAQmx ist von einfachen EIN/AUS-Regelungen bis hin zu PID und anderen fortgeschrittenen Regelalgorithmen vollständig skalierbar. In den folgenden Abschnitten finden Sie Beispiele für die grafische Programmierung zur Implementierung verschiedener Steuerungssysteme.

Ein Regelkreis kann so einfach sein, wie eine Messung durchzuführen, den Messwert mit dem Sollwert zu vergleichen und dann einen Aktor ein- oder auszuschalten, um dem Sollwert näher zu kommen. Dazu gehört in der Regel die Ansteuerung eines Relais oder Schalters, der die Leistung eines Aktors steuert. So funktionieren beispielsweise alltägliche Klimaanlagen. Ein Temperaturmessgerät (in der Regel Ihr Thermostat) überwacht die aktuelle Temperatur und schaltet ein Relais oder einen Schalter ein, wenn die Temperatur den gewünschten Wert überschreitet. Das Relais schaltet die Klimaanlage ein, bis die Temperatur wieder angenehm ist.

In Abbildung 3 sehen Sie ein Beispiel für ein LabVIEW Blockdiagramm zum Erstellen einer einfachen Ein-/Aus-Regelung. Die Funktion "DAQmx - Lesen" misst die Temperatur und vergleicht den Temperaturwert mit dem Sollwert mit Hilfe der Funktion "Größer?". Wenn die Temperatur größer als der Sollwert ist, wird ein TRUE-Wert an den digitalen Ausgangskanal gesendet, der das Relais mit der Funktion "DAQmx - Schreiben" steuert.

Viele Gebäude haben sowohl eine Klimaanlage als auch eine Heizung, um die Temperatur eines Raumes zu regulieren. Während Kühlung und Erwärmung in der Regel unabhängig voneinander erfolgen, können Sie mit einem PC-basierten Datenerfassungssystem beide gleichzeitig betreiben.

Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für ein LabVIEW Blockdiagramm zur Steuerung von Kühlung und Erwärmung. In diesem Blockdiagramm wird der gemessene Temperaturwert mit zwei verschiedenen Sollwerten verglichen, die jeweils mit der Klimaanlage oder der Heizung verbunden sind.

Mit zusätzlicher Logik können Sie das Regelsystem noch weiter anpassen und Funktionen wie Sollwertplanung, Temperaturmittelwertbildung und Totbereichskonfiguration hinzufügen. Sie können auch Funktionen zur Datenprotokollierung und Protokollerstellung zum selben PC-basierten Steuerungssystem hinzufügen.

Die einfache Ein-/Aus-Regelung bietet möglicherweise nicht genügend Granularität, um ein bestimmtes System mit der erforderlichen Geschwindigkeit und Genauigkeit genau zu steuern. Der PID-Algorithmus ist der häufigste Regelalgorithmus, der in der Industrie verwendet wird. Die Beliebtheit von PID-Reglern beruht auf ihrer robusten Leistung in einer Vielzahl von Betriebsbedingungen sowie ihrer einfachen, unkomplizierten Funktionsweise. LabVIEW verfügt über ein PID Control Toolkit, mit dem Sie vorgefertigte grafische Funktionen zur einfachen Implementierung eines PID-Regelsystems installieren können. Die grundlegende PID.vi-Funktion ist in Abbildung 5 dargestellt.

Wie der Name schon sagt, besteht der PID-Algorithmus aus drei Grundkoeffizienten, Proportionalkoeffizient, Integralkoeffizient und Ableitung, die Sie anpassen können, um ein optimales Ansprechverhalten zu erhalten. Die Grundidee eines PID-Reglers besteht darin, einen Sensor auszulesen und die gewünschte Aktorleistung durch Berechnung des Proportional-, Integral- und Ableitungsverhaltens zu berechnen. Der Regler berechnet die Summe dieser drei Komponenten. Abbildung 6 zeigt ein Beispielblockdiagramm mit einem PID-Regelkreis mit einem analogen Eingangskanal und einem analogen Ausgangskanal.

Über die PID-Regelung hinaus gibt es verschiedene fortgeschrittene Regelsysteme basierend auf dem Zustandsraummodell einer Anlage und verschiedene benutzerdefinierte Regelparameter basierend auf der gewünschten Systemreaktion. Die Entwicklung eines solchen Regelsystems erfordert Kenntnisse und Erfahrung in der Regelsystemtheorie. Das LabVIEW Control Design and Simulation Module, das in LabVIEW Professional enthalten ist, kann für Anwendungen verwendet werden, die diesen Anspruch erfüllen. Diese Software kann Ihnen helfen, einen neu entwickelten Regelalgorithmus zu testen und zu iterieren, was Ihnen erhebliche Zeit und Ressourcen beim Prototyping und der Validierung eines fortgeschrittenen Regelsystems sparen kann.

NI-DAQmx ist eine leistungsfähige API für Datenerfassungs- und Steueranwendungen. Einige Anwendungen erfordern jedoch mehr Determinismus, geringere Latenz und schnellere Regelschleifen als DAQmx bieten kann. Ein Echtzeitbetriebssystem (RTOS) bietet ein Höchstmaß an Softwaredeterminismus und Zuverlässigkeit für Steuerungssysteme, indem alle Ressourcen für eine verteilte Anwendung bereitgestellt werden. CompactRIO- und PXI-Controller können dieses Echtzeitbetriebssystem für fortgeschrittenen Determinismus mit dem LabVIEW Real-Time Module, einem Zusatzpaket für LabVIEW, nutzen. Nach der Installation kompiliert die Software grafischen LabVIEW-Code und optimiert ihn für das ausgewählte Real-Time-Zielsystem. Mit dem LabVIEW Real-Time Module können Sie Anwendungen entwickeln und auf alle Real-Time-Hardwaresysteme von NI (einschließlich Standard-Desktop-PCs und PXI-Systeme) übertragen. Mit dem NI-DAQmx-Treiber können Sie PCI-, PCI-Express- und PXI-Plattformgeräte einfach von LabVIEW für Windows auf LabVIEW Real-Time auf CompactRIO oder PXI migrieren und die gleichen Funktionsaufrufe und Hardwarekonfigurationen beibehalten.

Für Anwendungen, die noch leistungsfähigere Regelkreise mit hardwaregetakteter Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit erfordern, empfiehlt sich die Verwendung des LabVIEW FPGA Modules mit CompactRIO- oder rekonfigurierbaren Multifunktionsgeräten. FPGAs sind rekonfigurierbare Siliziumchips, die mit derselben grafischen Entwicklungsumgebung LabVIEW programmiert werden können. CompactRIO- und rekonfigurierbare Geräte verfügen über benutzerdefinierte Onboard-Verarbeitung sowie vollständig flexibles I/O-Timing und -Triggerung. Sie können Gerätefunktionen konfigurieren, indem Sie LabVIEW Blockdiagramme mit dem LabVIEW FPGA Module erstellen. Ihr Blockdiagramm wird in Hardware ausgeführt, wodurch Sie alle I/O-Signale direkt und ohne Kommunikation mit einem Prozessor steuern können. Mit CompactRIO und rekonfigurierbaren Geräten können Sie mehrere PID-Regelkreise erstellen, die mit Geschwindigkeiten bis in den MHz-Bereich ausgeführt werden.

Die Kombination von LabVIEW Real-Time und LabVIEW FPGA bietet in jeder leistungsstarken Embedded-Anwendung unübertroffene Vorteile. Weitere Informationen zu FPGA-basierten Datenerfassungsgeräten finden Sie unter CompactRIO und Multifunction RIO der R-Serie.

• Hier erfahren Sie, wie das CERN LabVIEW und rekonfigurierbare Hardware zur Steuerung des weltweit größten Teilchenbeschleunigers verwendet hat
• Produktseite "Multifunktionale DAQ-Hardware - Preise und Spezifikationen"
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