Soluciones extremas en el borde y más allá con NI CompactRIO

​Seleccionar el controlador CompactRIO óptimo para una arquitectura de control de automatización en tiempo real requiere una comprensión matizada de los equilibrios entre densidad computacional, complejidad de la tela FPGA y conectividad periférica. Al seleccionar un controlador, actualmente hay dos familias de NI para elegir: los controladores de la serie cRIO-904x y la serie cRIO-905x. Estos controladores forman la base de los sistemas de control integrados en tiempo real, ofreciendo flexibilidad y rendimiento más allá de los diseños tradicionales basados en PLC. Al comparar las arquitecturas de CompactRIO contra PLC y otras plataformas, CompactRIO proporciona una combinación ideal de estrecha integración de procesamiento en tiempo real y aceleración FPGA, robustez y un factor de forma pequeño y sin ventilador. 

​Ambas familias NI CompactRIO proporcionan un entorno de ejecución determinista a través de NI Linux Real-Time. Este sistema operativo está construido sobre un núcleo estándar pero optimizado para los requisitos de baja latencia del control industrial, soportando tanto NI LabVIEW Real-Time como un vasto ecosistema de herramientas C/C++ y Python. 

​El controlador de alto rendimiento cRIO-904x

​El controlador cRIO-904x CompactRIO está diseñado para aplicaciones de gama alta que exigen un procesamiento integrado significativo y capacidades de interfaz hombre-máquina (HMI) integradas. La arquitectura está definida por la FPGA Xilinx KintexTM 7, que ofrece un recuento de celdas lógicas más alto y segmentos de procesamiento de señales digitales (DSP) más robustos en comparación con el ArtixTM 7 que se encuentra en el cRIO-905x. Esta FPGA hace que el cRIO-904x sea más adecuado para aplicaciones que involucran algoritmos de control complejos, integración de visión de alta velocidad o procesamiento masivo de datos en paralelo. 

​Uno de los diferenciadores más críticos para el cRIO-904x es su conectividad. Incluye dos puertos serie integrados (compatibles con RS-232 y RS-485) y un puerto USB 3.1 Tipo C equipado con DisplayPortTM Modo Alternativo (DP Alt Mode). Este Modo Alt permite al controlador conducir un monitor externo directamente, habilitando la función “interfaz de usuario integrada” donde el procesador puede representar un HMI local sin necesidad de un PC industrial separado.

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​El controlador de valor optimizado cRIO-905x

​El cRIO-905x sirve como una alternativa más rentable que no sacrifica la robustez o el determinismo inherente a la plataforma. Mediante el uso de la tecnología Xilinx Artix 7 FPGA, estos controladores proporcionan un perfil de rendimiento equilibrado para tareas industriales estándar como la monitorización de temperatura, bucles de control de velocidad baja a media y registro de datos distribuidos.

​Aunque el cRIO-905x carece de puertos serie integrados, tarjeta SD de tamaño completo y salida de vídeo DisplayPort directa del cRIO-904x, introduce una ranura para tarjetas microSD para almacenamiento extraíble, lo que es altamente ventajoso para aplicaciones de registro de datos donde se deben transferir físicamente grandes volúmenes de datos. El cRIO-905x es a menudo la opción preferida para nodos distribuidos “sin cabeza” que se comunican a través de Ethernet a un servidor centralizado o HMI.

​Vea los últimos controladores cRIO-905x.

La integración de una FPGA en la arquitectura CompactRIO permite sistemas de control deterministas y capacidades de control de movimiento en tiempo real. Esta característica hace que CompactRIO sea ideal para aplicaciones de alto rendimiento, como el control predictivo en tiempo real y la supervisión. Por ejemplo, la FPGA Kintex 7 permite un complejo control de movimiento en tiempo real y un procesamiento paralelo de alta velocidad en el que la FPGA actúa como un panel trasero programable que gestiona la comunicación entre los módulos de E/S de la Serie C y el procesador en tiempo real.

Capacidades de Kintex 7 versus Artix 7

La elección entre estas dos familias de FPGA es un motor principal del costo y la capacidad del sistema. El Kintex 7 es un FPGA de gama media que proporciona alta densidad lógica y rendimiento por vatio. Su mayor recuento de celdas lógicas permite implementar algoritmos de procesamiento de señales digitales (DSP) más complejos en hardware. Por ejemplo, el Kintex 7 325T que se encuentra en el cRIO-9049 contiene más de 325.000 celdas lógicas y 840 segmentos DSP, lo que permite la implementación de filtros de alto orden, transformadas rápidas de Fourier (FFT) y perfiles de control de movimiento multieje que abrumarían a la CPU.

Por el contrario, el Artix 7 está optimizado para un menor consumo de energía y huellas más pequeñas, por lo que es ideal para el cRIO-905x. A pesar de ser la opción de “valor”, una FPGA Artix 7 100T todavía posee recursos suficientes para la mayoría de las tareas de control industrial estándar, incluida la generación de PWM, la decodificación de codificadores en cuadratura y el disparo digital personalizado. El cRIO-904x generalmente cumple con restricciones de temporización más estrictas, lo que es un efecto de segundo orden de la arquitectura de enrutamiento y reloj superior del tejido Kintex.

​Una de las características más innovadoras de los controladores cRIO-904x y 905x es la capacidad de seleccionar el modo de programación en una base por ranura entre Real-Time NI-DAQmx, LabVIEW FPGA y Real-Time Scan Mode. Esta capacidad de "modo híbrido" permite a los desarrolladores mezclar la facilidad de uso del controlador de alto nivel con la personalización de hardware de bajo nivel en un solo chasis.

Modo de programación NI-DAQmx en tiempo real

La introducción de NI-DAQmx en la moderna plataforma CompactRIO ha creado un cambio positivo en la productividad de los desarrolladores. Históricamente, CompactRIO requería técnicas de programación más avanzadas para la mayoría de las tareas. En el modo NI-DAQmx, un módulo de la serie C se comporta como si estuviera en un chasis CompactDAQ a pesar de que se está utilizando como parte de un sistema CompactRIO. El controlador NI-DAQmx, el controlador estándar para todos los productos NI DAQ, proporciona una interfaz familiar para los ingenieros para el desarrollo rápido de la configuración de tareas, la sincronización y el desencadenamiento. Este modo reduce significativamente el tiempo de desarrollo en comparación con los enfoques tradicionales de programación CompactRIO.

Este modo se recomienda para velocidades de control de hasta 5 kHz en controladores cRIO-904x y 2,5 kHz en controladores cRIO-905x. Es compatible con la adquisición de un solo punto temporizada por hardware, lo que es vital para los bucles de control que requieren que la última muestra se procese con una latencia mínima sin la sobrecarga de la gestión de búfer. En este modo, los módulos aparecen en Modo de programa > Recursos en tiempo real en el Explorador de proyectos LabVIEW.

Figura 1: Con NI Measurement & Automation Explorer (MAX), los módulos individuales se pueden configurar en uno de los tres modos de programación diferentes.

Modo de programación LabVIEW FPGA

Para aplicaciones que requieren un mayor rendimiento, sincronización personalizada o sincronización por submicrosegundos, el modo de programación LabVIEW FPGA (usando el LabVIEW FPGA Module) sigue siendo la opción principal. Este modo proporciona acceso directo al tejido FPGA. Crea un LabVIEW FPGA VI, que luego compila en un archivo de bits de hardware y lo implementa en el controlador.

La programación FPGA LabVIEW es necesaria para cualquier tasa de control que supere los 5 kHz o para tareas que deben ejecutarse con cero fluctuación, como PWM de alta frecuencia o protocolos de comunicación personalizados. Para utilizar este modo, debe instalar LabVIEW FPGA Module en su host de desarrollo.

Modo de exploración en tiempo real (variables de E/S)

La interfaz de escaneo RIO, o modo de escaneo, está diseñada para el desarrollo rápido de sistemas de control y monitoreo de velocidad lenta (normalmente <1 kHz). LabVIEW programa automáticamente el FPGA con un archivo de bits fijo que escanea todos los módulos a una velocidad definida por el usuario y presenta los datos como Variables de E/S. Aunque el método recomendado para la mayoría de los sistemas modernos es el modo NI-DAQmx en tiempo real, el modo de exploración puede ser ventajoso para sistemas donde los módulos de E/S se intercambian con frecuencia, ya que admite la detección dinámica de tipos de módulos. 

Aprende a usar el modo de análisis.

Tabla 1: Comparación de modos de programación para cRIO-904x y cRIO-905x.

La versatilidad de la plataforma CompactRIO se deriva del ecosistema de módulos de la serie C, que permite la adquisición de datos multicanal escalables (DAQ) en una amplia gama de aplicaciones que emplean más de 100 módulos diferentes diseñados para una gama de tipos de señal, condiciones ambientales y aplicaciones como sistemas de medición de alta velocidad y precisión.

Arquitecturas de entrada analógica (AI)

Seleccionar el módulo de entrada analógica adecuado implica evaluar la resolución (bits), la frecuencia de muestreo y el aislamiento requeridos. NI emplea tres arquitecturas principales para los módulos de IA de la serie C:

1. Arquitecturas basadas en el registro de aproximaciones sucesivas (SAR): estos módulos, como el NI-9201 y el NI-9205, son de propósito general y a menudo cuentan con entradas multiplexadas. Son adecuados para mediciones de velocidad media como presión o flujo.
2. Arquitecturas basadas en delta-sigma: esta arquitectura, utilizada en módulos de alta resolución (como el NI-9234, NI-9232 y NI-9250), proporciona un excelente anti-aliasing y es el estándar para mediciones de tensión de sonido, vibración y precisión.
3. Arquitecturas basadas en muestreo simultáneo: estos módulos, como el NI-9223, cuentan con un ADC dedicado por canal, lo que garantiza que no haya retraso de fase entre mediciones, lo que es crítico para la calidad de la energía o el análisis estructural de alta velocidad.

Módulos de sensores especializados y de temperatura

La medición de la temperatura es una piedra angular de los sistemas de monitoreo. NI proporciona módulos específicamente para termopares, como el NI-9213, así como detectores de temperatura de resistencia (RTD), como el NI-9216. Estos módulos incluyen compensación integrada de unión en frío (CJC) y ADC de alta resolución para manejar las señales de nivel de milivoltios características de los sensores de temperatura. 

Para la salud estructural o pruebas de materiales, los módulos de tensión/puente como el NI-9237 proporcionan la terminación integrada del puente para sensores de cuarto, mitad y puente completo, así como voltajes de excitación programables.

E/S digital y control industrial

Interfaz de módulos digitales (NI-94xx) con niveles de lógica industrial, típicamente 5 V TTL o 24 V lógica industrial. El NI-9401 es un popular módulo digital bidireccional de alta velocidad, mientras que el NI-9477 es un módulo de Salida Digital Sinking de 32 canales diseñado para accionar solenoides y relés industriales con hasta 60 V.

Más allá de la E/S estándar, CompactRIO soporta una variedad de protocolos de comunicación industrial, incluyendo EtherCAT (como maestro), 802.1AS o Time-Sensitive Networking (TSN), CAN, CANopen y Modbus para monitoreo y control en tiempo real. El NI-9862 proporciona una interfaz CAN de un solo puerto con soporte para conductores NI-XNET, que es esencial para pruebas automotrices o aeroespaciales. Para dispositivos seriales heredados, el NI-9870 agrega cuatro puertos RS-232 al sistema. Estas opciones hacen que CompactRIO sea ideal para el monitoreo y control industrial y monitoreo y control remoto para maquinaria industrial, control de procesos en tiempo real y sistemas industriales distribuidos.

Expansión del sistema

Si bien un controlador de 8 ranuras proporciona una densidad de E/S significativa, muchas aplicaciones requieren ranuras adicionales al expandirse más allá del chasis de 8 ranuras. Los cRIO-904x y cRIO-905x soportan varios métodos de expansión:

1. cDAQ-9185/9189 Chasis: El uso de la capacidad de red sensible al tiempo (TSN) del cRIO-904x/905x con un chasis cDAQ-9185/9189 que emplea NI-DAQmx es una vía para expandir la E/S manteniendo la sincronización de alta velocidad.
2. NI-9145 EtherCAT CompactRIO Chasis: La conexión de un controlador cRIO al chasis esclavo NI-9145 EtherCAT de 8 ranuras ofrece un protocolo industrial determinista que es ideal para el control de movimiento y las tareas distribuidas en tiempo real. EtherCAT RIO utiliza una topología de cadena de margaritas y admite hasta 65.535 esclavos.
3. NI-9149 Ethernet CompactRIO Chasis: El chasis NI-9149 Ethernet CompactRIO es el mejor para monitorización distribuida donde el determinismo duro es menos crítico pero se desea flexibilidad de red estándar.

En entornos industriales, la integridad de la señal a menudo se ve comprometida por bucles de tierra e interferencia electromagnética (EMI). Los módulos CompactRIO abordan esto a través de varias estrategias de aislamiento:

• Aislamiento canal-tierra: protege el sistema de sobretensiones de alto voltaje y garantiza que el controlador no se dañe por diferencias de potencial de tierra.
• Aislamiento canal a canal: cada canal está aislado electrónicamente de los demás, lo que proporciona el más alto nivel de inmunidad al ruido y seguridad.
• Aislamiento bancario: un grupo de canales comparte un terreno aislado común, que ofrece un punto medio entre el costo y la protección. 

Los módulos CompactRIO proporcionan un rendimiento DAQ de alta velocidad mientras funcionan como hardware DAQ robusto en entornos difíciles. La robustez de la plataforma se demuestra aún más por sus calificaciones ambientales. La mayoría de los módulos y controladores están clasificados para un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a 70 °C y pueden soportar 50 g de choque y 5 g de vibración. Para ambientes extremadamente duros, el recubrimiento adaptable es una opción disponible para muchos modelos para proteger contra la humedad y los contaminantes. Esta robustez y fiabilidad mejoradas hacen de CompactRIO la solución ideal para la adquisición de datos industriales en entornos difíciles.

Un despliegue exitoso de CompactRIO depende de una infraestructura física adecuada. CompactRIO permite la adquisición de datos móviles en aplicaciones DAQ de entornos difíciles, donde la durabilidad y el diseño térmico son críticos. La correcta integración garantiza un funcionamiento fiable del chasis CompactRIO en sistemas industriales. Este entorno implica seleccionar las fuentes de alimentación adecuadas, montar hardware y garantizar la gestión térmica.

Selección del sistema eléctrico

Los cRIO-904x y cRIO-905x requieren una fuente de alimentación de 9 V a 30 V DC. Para instalaciones industriales, los suministros montados en carril DIN como el NI PS-25 (24 VCC, 5 A) son la opción estándar. Las entradas de alimentación redundantes en los controladores de la serie cRIO-904x permiten conectar dos fuentes de alimentación separadas, lo que garantiza que un solo fallo de suministro no cause un apagado del sistema, una característica importante para la supervisión de misión crítica.

Tabla 2: Accesorios de alimentación esenciales para sistemas CompactRIO.

Montaje y diseño térmico

CompactRIO está diseñado para montarse sobre una superficie metálica que actúa como disipador de calor. NI recomienda una “configuración de montaje de referencia” específica (orientación horizontal) para alcanzar la temperatura de funcionamiento máxima especificada.

• Montaje en panel: el atornillado directo del chasis a un panel metálico es el mejor método para entornos de alta vibración.
• Montaje en carril DIN: los kits NI-990x permiten que el chasis se ajuste a presión en un carril DIN estándar de 35 mm.
• Montaje en rack — Los armarios de montaje en rack de 19 pulgadas o los kits de rack NI se utilizan para la integración en gabinetes de estilo servidor.

Seguridad en ubicaciones peligrosas

Para la implementación en plantas de petróleo y gas, químicas o farmacéuticas, los cRIO-904x y cRIO-905x están certificados para ubicaciones peligrosas de Clase I, División 2 y ATEX Zona 2. Estas certificaciones indican que el hardware no proporcionará una fuente de ignición en condiciones normales de funcionamiento. Sin embargo, los instaladores deben cumplir con las directrices específicas “Ex ec” (aumento de la seguridad), como el uso de carcasas con clasificación IP54 y garantizar que los módulos no se retiren mientras el sistema esté encendido, a menos que se sepa que el área no es peligrosa.

Mantener un sistema CompactRIO requiere una cuidadosa atención al versionado del software. Para usar completamente el CompactRIO Controller, necesitará LabVIEW, LabVIEW Real-Time Module y LabVIEW FPGA Module. También puede programar el controlador usando Python y C/C++ con ciertas limitaciones. La creación de archivos de bits personalizados para el FPGA requiere el LabVIEW FPGA Module. Los ingenieros también suelen utilizar herramientas HIL populares como NI VeriStand para pruebas de sistemas de control en tiempo real.

Utilidad de configuración de hardware NI

La utilidad de configuración de hardware NI es la herramienta principal para el descubrimiento y configuración del sistema. Cuando se conecta un nuevo controlador a través de USB o Ethernet, se utiliza la Utilidad de configuración de hardware de NI para instalar el sistema operativo en tiempo real de NI Linux, formatear la unidad interna e instalar todos los controladores y software que necesita para usarlo. La utilidad también proporciona paneles de prueba para verificar que el controlador y los módulos se comunican correctamente antes de escribir una sola línea de código.

La seguridad se ha vuelto muy importante ya que las organizaciones deben abordar la ciberseguridad de los sistemas de control industrial y la seguridad informática periférica al implementar sistemas CompactRIO. Ofrecemos orientación alineada con los estándares de seguridad de los sistemas de control industrial y las prácticas de ciberseguridad SCADA. 

Consulte la información más reciente sobre los problemas de seguridad relevantes que afectan a CompactRIO.

El uso de CompactRIO para aplicaciones de control y monitoreo representa una inversión estratégica en la longevidad y capacidad de su sistema de control. Al aprovechar el controlador NI-DAQmx, puede reducir significativamente el tiempo de desarrollo asociado tradicionalmente con los sistemas basados en FPGA, mientras que la inclusión de tecnologías como TSN garantiza que el sistema esté listo para el futuro de mediciones distribuidas y sincronizadas en red.

La capacidad y el rendimiento de la plataforma CompactRIO proporcionan una base inigualable para la innovación industrial. Ya sea que la aplicación sea un robot quirúrgico o una red de monitoreo estructural distribuida geográficamente, CompactRIO ofrece la robustez de un PLC con la flexibilidad casi infinita de un FPGA programable por el usuario.

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