Verwenden des NI Digital I/O High-Reliability Feature Sets für industrielle Anwendungen

Die Isolation trennt zwei Teile einer Schaltung physikalisch und elektrisch und bietet mehrere Vorteile. Dadurch werden Masseschleifen unterbrochen, Gleichtaktspannung und Rauschunterdrückung verbessert und zwei Teile der Schaltung können unterschiedliche Spannungspegel haben. Isolation schützt auch die Computerschaltung. Industrielle Anwendungen erfordern oft Isolation, um die Elektronik vor Spannungsspitzen zu schützen und eine größere Gleichtaktunterdrückung in elektrisch lauten Umgebungen mit Maschinen und induktiven Lasten zu gewährleisten. Bei der kanalweise isolierten I/O hat jeder Kanal seinen eigenen Masseanschluss. Bei bankisolierten Geräten besteht jede Bank (oder Gruppe) aus mehreren Kanälen, die dieselbe Masse teilen, aber von anderen Banken isoliert sind.

Chemischer Pigmentmischer

Bei der chemischen Pigmentmischung werden anorganische Chemikalien für Pigmente und Farbstoffe gemischt. Eine chemische Durchflusspumpe und ein hydraulisches Steuerventil regeln die Durchflussmenge für die beiden verwendeten Chemikalien. Pumpe und Ventil haben jeweils eine eigene Massereferenz, und die Pumpe ist mit einem Notstoppschalter verbunden, der die gleiche Massereferenz hat. Weiterhin unterscheiden sich die beiden Massebezüge um 5 V.

Ohne Isolierung (siehe Abbildung 1) müssen alle drei Geräte direkt miteinander verbunden werden, wodurch eine Masseschleife entsteht, die durch die Spannungsdifferenz in den Massereferenzen verursacht wird.

Abbildung 1: Nicht isolierte Verbindung

Dieser Stromfluss kann Schäden an Pumpe und Ventilschaltung verursachen. Außerdem kann es aufgrund der erhöhten Belastung der Signalausgänge der Geräte zu Fehlmessungen kommen. Bei einem bankisolierten Digitalprodukt (Abbildung 2) können die Geräte mit eigener Masse betrieben werden, auch bei großen Spannungsunterschieden.

Abbildung 2: Bankisolierte Verbindung

Industrieumgebungen wie diese sind elektrisch sehr laut. Einige Beispiele für Rauschquellen sind Stromkabel, Elektromotoren und Relais. In dieser lauten Umgebung schützt die Isolation die digitale Schaltung des I/O-Geräts vor Spannungen, die außerhalb des normalen Betriebsbereichs liegen.

Bei einem Ausfall in einem großen automatisierten System ist es unerlässlich, rechtzeitig auf den Zustand des Systems zum Zeitpunkt des Ausfalls zurückblicken zu können. Ebenso wichtig sind die Zustände bis zum Zeitpunkt des Scheiterns.

Kraftwerksüberwachung

Im August 2003 wurden mehrere nordostamerikanische Städte von einem Stromausfall getroffen, der Millionen von Menschen ohne Strom versorgte. Während der anschließenden Untersuchung versuchten die Beamten, die Ursache des Blackouts zu ermitteln. In einem solchen Ereignis ist die Möglichkeit, den Zustand des Systems vor dem Blackout – Minuten, Stunden oder sogar Tage zuvor – zu sehen, äußerst wertvoll.

Da sich ein System sporadisch ändern kann, muss es jederzeit überwacht werden. Andererseits kann eine ständige Messung des Systems in einem festgelegten Intervall zu enormen Datenmengen führen, von denen sich viele wiederholen und irrelevant sind. Die Änderungserkennung bietet das Beste aus beiden Welten, indem sie sich wiederholende Daten entfernt und dennoch wichtige Systemereignisse aufzeichnet. Bei der Änderungserkennung werden Daten nur erfasst, wenn an bestimmten Eingängen eine steigende oder fallende Flanke erkannt wird. So werden beispielsweise bei jedem Öffnen oder Schließen eines Relais die Zustände aller Relais erfasst und gespeichert, falls diese später benötigt werden.

Das Erstellen eines Programms zur Änderungserkennung ist in NI-DAQmx einfach. Das VI NI-DAQmx - Timing enthält eine neue polymorphe Instanz, die die Erkennung von Änderungen wie jede andere gepufferte NI-DAQmx-Eingabeoperation behandelt (Abbildung 3). Der Programmierer hat die vollständige Kontrolle darüber, welche Leitungen zum Erkennen einer Änderung verwendet werden. Das Bedienelement "Steigflankenleitungen" und "Steigflankenleitungen" kann mit einer beliebigen Kombination von Eingangsleitungen des Geräts bestückt werden. Im nächsten Abschnitt wird beschrieben, wie die Erkennung von Änderungen bei der digitalen Eingangsfilterung noch nützlicher ist.

Abbildung 3. Konfigurieren der Änderungserkennung in NI-DAQmx

Wie bereits erwähnt, können industrielle Umgebungen elektrisch laut sein. Dieses Rauschen kann eine Vielzahl von Problemen verursachen, darunter unerwünschte Messwerte. Jedes digitale Eingabegerät verwendet einen oder zwei Spannungsschwellwerte, um festzustellen, ob der Eingang High oder Low ist. Wenn die Eingangsspannung über dem High-Schwellwert liegt, liest das Gerät einen logischen High-Pegel. Wenn die Spannung unter dem unteren Schwellwert liegt, liest das Gerät einen logischen Low. Wenn Rauschen vorhanden ist, kann die Eingangsspannung die Schwellwerte unerwartet überschreiten, was zu einem falschen High- oder Low-Messwert führt. In anderen Fällen kann es vorkommen, dass ein Signal mehrmals den Zustand ändert, während es sich in Wirklichkeit nur einmal ändert.

Ölraffinerie

In Ölraffinerien kann ein Schlüsselschalter verwendet werden, um den Rohölfluss in eine Raffinationskammer zu aktivieren. Der Schalter neigt jedoch zu starkem Prellen. Ähnlich wie eine Kugel, die auf einer harten Oberfläche hüpft, neigt einer der Metallkontakte dazu, zu hüpfen, wenn er in den anderen Kontakt gedrückt wird. Das wiederholte Umschalten des Signals würde zu einem schnellen Ein- und Ausschalten der Pumpe führen, was den Verschleiß der Pumpe beschleunigen und schließlich zu einem vorzeitigen Ausfall führen kann. Wenn Sie dieses Signal mit einem NI-Gerät mit Änderungserkennung erfassen, würde sich der Eingangspuffer unnötig füllen.

Wenn Eingangsfilter auf dem NI-Gerät aktiviert sind, werden die durch den Prellschalter verursachten fehlerhaften Messwerte eliminiert. Dazu ignoriert er alle zu kleinen Impulse. Das NI-Gerät kann dann das gefilterte Signal an die Pumpe ausgeben. Bei programmierbaren Eingangsfiltern kann der Benutzer programmatisch die minimale Impulsbreite auswählen, die garantiert durchgelassen wird (Abbildung 4).

Abbildung 4: Konfigurieren von Eingangsfiltern in NI-DAQmx

Jeder Impuls, der größer als der angegebene Mindestimpuls ist, wird garantiert durchgelassen und jeder Impuls, der kleiner als die Hälfte der angegebenen Impulsbreite ist, wird garantiert gefiltert. Impulse, die zwischen der Hälfte der Impulsbreite und einer ganzen Impulsbreite liegen, können passieren oder nicht.

Beim Einschalten eines Computers starten verschiedene Komponenten ihre eigenen Einschaltroutinen, um sicherzustellen, dass sie einen funktionalen und erwarteten Zustand erreichen. Wenn digitale Ausgänge innerhalb des Computers zur Steuerung von Maschinen oder industriellen Prozessen verwendet werden, ist es wichtig, dass die digitalen Ausgänge auch in einen bekannten Zustand initialisiert werden. Das Ändern der Ausgänge erfordert in der Regel, dass eine Anwendung ausgeführt wird, aber das Gerät kann einige Minuten eingeschaltet sein, bevor die Anwendung gestartet werden kann. Es ist wichtig, dass es eine Möglichkeit für das digitale Gerät selbst gibt, seine Ausgänge einzustellen, sobald es Strom erhält.

Walzwerk

In einem Walzwerk wird erhitzter Stahl durch Walzmaschinen gepresst, um Stahlträger unterschiedlicher Breite zu erzeugen. Der Rollmotor wird über eine digitale Ausgangsleitung eines Digital-I/O-Geräts gesteuert. Beim Einschalten des Computers müssen die Rollmotoren ausgeschaltet werden, um zu verhindern, dass beim Start Stahl verschwendet wird. Wenn das digitale I/O-Gerät keine Möglichkeit bietet, die anfänglichen Ausgaben zu garantieren, muss der Computer vollständig gestartet und ein Steuerprogramm gestartet werden, bevor bekannte Zustände an den Kanälen ausgegeben werden. Diese mangelnde Kontrolle könnte zur Verschwendung teurer Rohstoffe und zu Schäden an der Ausrüstung führen. Glitchfreie Einschaltzustände stellen sicher, dass alle digitalen Ausgänge bei jedem Einschalten des Geräts in einem bekannten Zustand beginnen. Da keine der Maschinen unerwartet anläuft, wird kein Stahl verschwendet.

Bei den neuen Digitalprodukten von NI werden programmierbare Einschaltzustände in einem EEPROM des Geräts implementiert. Die Einschaltzustände im EEPROM können programmatisch durch zwei verschiedene Methoden geändert werden. A) Das VI "NI-DAQmx - Einschaltzustände festlegen" kann in LabVIEW ausgeführt werden (Abbildung 5). Wenn das VI ausgeführt wird, werden die Einstellungen in den EEPROM heruntergeladen.

Abbildung 5. Einschaltzustände in LabVIEW

B) Diese Einstellungen können auch im NI Measurement & Automation Explorer (MAX) vorgenommen werden, indem Sie die Eigenschaftenseite des Geräts öffnen. Die gewünschten Einstellungen werden geschrieben, wenn der Benutzer auf OK klickt (Abbildung 6). Beide Methoden sind für die Implementierung programmierbarer Einschaltzustände einfach anzuwenden.

Abbildung 6. Einschaltzustände im MAX

Regelsysteme erfordern in der Regel Redundanz- oder Ausfallsicherheitsmechanismen. Bei einem unerwarteten Ausfall einer Komponente des Systems übernimmt der Fail-Safe-Mechanismus und versetzt das System in einen bekannten sicheren Zustand. Die digitalen I/O-Watchdogs der neuen industriellen Digitalprodukte von NI bieten eine Methode, um Systemfehler zu erkennen und sicher zu beheben. Beachten Sie, dass die NI-DAQmx-Watchdog-Funktion ein System vor Softwarefehlern und Aufhängen schützt. Bei einem PXI-System mit Fernsteuerung über MXI kann ein Verlust der MXI-Verbindung zu einem unerwarteten Watchdog-Verhalten und damit zu falsch implementierten Watchdog-Zuständen führen. 

Süßigkeitenfabrik

Kaugummi wird in einer Süßigkeitenfabrik geschnitten und verpackt. Ein Messer schneidet den Kaugummi in Stücke und ein Förderer bewegt die Stücke in eine Verpackungsmaschine. Sowohl das Messer als auch der Förderer werden über digitale Ausgangsleitungen gesteuert. Wenn die Steueranwendung hängt, würde der Förderer idealerweise anhalten und die Klinge würde vom Zahnfleisch wegbewegt. Anderenfalls könnten Maschinen beschädigt und Kaugummi unnötig verschwendet werden. Digital-I/O-Watchdogs bieten eine Möglichkeit, die Ausgänge eines digitalen Geräts im Falle eines Systemfehlers oder -ausfalls in bekannte sichere Zustände zu versetzen. Das digitale Gerät erhält ständig die Bestätigung, dass der Computer noch ordnungsgemäß funktioniert. Wenn diese Bestätigung nicht innerhalb eines programmierbaren Timeouts empfangen wird, werden die sicheren Zustände in die Ausgänge geschrieben. Abbildung 7 zeigt den Informationsfluss während des normalen Betriebs.

Abbildung 7: Ablaufdiagramm des Watchdog-Timers mit getrennter Hardware- und Softwareebene

Sobald der Watchdog konfiguriert und gestartet ist, muss die Softwareanwendung den Timer kontinuierlich zurücksetzen, um ein Ablaufdatum zu vermeiden. Dieser Task wird mit dem VI "NI-DAQmx - Watchdog-Task steuern" ausgeführt (siehe Abbildung 8). Dieses Zurücksetzen dient als Bestätigung.

Abbildung 8: Konfigurieren und Zurücksetzen des Watchdog-Timers

Im Ablaufdiagramm in Abbildung 9 wird die Hardware bei einem Fehler (z. B. beim Aufhängen des Computers) bis zum Timeout heruntergezählt. Zu diesem Zeitpunkt werden die vordefinierten sicheren Zustände in die Ausgänge geschrieben und alle zukünftigen Schreibvorgänge ignoriert.

Abbildung 9: Ablaufdiagramm des Watchdog-Timers

Damit das Gerät wieder auf Hardwarebefehle reagiert, muss das Ablaufdatum gelöscht werden. Verwenden Sie dazu das VI "NI-DAQmx - Watchdog-Task steuern" wie in Abbildung 10.

Abbildung 10. Löschen des Ablaufs

Digital-I/O-Watchdogs schützen vor verschiedenen Arten von Ausfällen, einschließlich Aufhängen von Anwendungen, Computern und Systemabstürzen insgesamt. Wichtig aus der obigen Beschreibung ist, dass der Watchdog nach der Konfiguration nicht auf Software angewiesen ist, um die sicheren Zustände auszugeben. Software wird nur zum Zurücksetzen des Timers benötigt. 

Der neue Satz hochzuverlässiger Industriefunktionen ist eine leistungsstarke Möglichkeit, industrielle Prozesse zu regeln, Lärm zu reduzieren, Maschinenschäden zu begrenzen und Verschwendung zu vermeiden. Alle programmierbaren Funktionen lassen sich einfach mit NI-DAQmx implementieren, so dass sie schnell in die Werkshalle übertragen werden können. Die isolierten Produkte bieten eine Möglichkeit zur Erfassung und Erzeugung von digitalen Hochspannungssignalen und schützen die interne Schaltung des I/O-Geräts und des Computers. Mit diesen umfassenden Funktionen können Sie ein robustes, professionelles Industriesystem erstellen.