Diseño de aplicaciones de control con hardware de adquisición de datos y NI-DAQmx

Con cientos de opciones de hardware para elegir, tiene varios factores a considerar al seleccionar el dispositivo de adquisición de datos (DAQ) adecuado para una aplicación de control. En primer lugar, debe comprender el recuento de canales, el tipo de datos, las necesidades de filtrado y acondicionamiento de señales de los sensores que desea utilizar en su aplicación de adquisición de datos. A continuación, necesitará saber el rendimiento que necesita de su dispositivo DAQ: la precisión, resolución, determinismo y latencia necesarios para adquirir señales claras a las frecuencias de muestreo apropiadas. Esto le informará qué plataforma de DAQ debe elegir.

Una vez que su E/S se entienda completamente, puede seleccionar la plataforma de hardware adecuada para su aplicación. Todos los sistemas a continuación se pueden programar utilizando la API NI-DAQmx, para acceder a los datos y realizar el control de forma rápida y sencilla.

NI-DAQmx, el software de controlador utilizado para comunicarse con los dispositivos de medición NI DAQ, se incluye con más de 200 dispositivos de adquisición de datos de National Instruments. NI-DAQmx tiene soporte para múltiples lenguajes de programación incluyendo NI LabVIEW, LabWindowsTM/CVI, ANSI C/C++, Visual Basic 6.0 y C#/Visual Basic .NET. Para aplicaciones de control, NI-DAQmx tiene características deterministas específicas como llamadas a funciones de un solo punto cronometradas por hardware y soporte para sistemas operativos LabVIEW Real-Time.

Este informe técnico se centrará en el uso del controlador NI-DAQmx con LabVIEW. El software de programación gráfica LabVIEW ofrece un entorno de desarrollo de aplicaciones fácil de usar diseñado específicamente para las necesidades de ingenieros y científicos. Sin ninguna experiencia previa en programación, puede configurar su hardware, tomar mediciones de sensores, comparar el valor medido con el punto de ajuste deseado y actualizar las señales de salida. El controlador NI-DAQmx proporciona funciones gráficas para leer y escribir valores e interactuar directamente con la E/S de hardware. LabVIEW ofrece la mejor integración entre software y hardware, reduciendo la complejidad general de la programación y ahorrándole tiempo de desarrollo.

La interfaz de programación de aplicaciones (API) NI-DAQmx es completamente escalable desde un simple control ON/OFF hasta PID y otros algoritmos de control avanzados. Las siguientes secciones ofrecen ejemplos de la programación gráfica requerida para implementar varios sistemas de control.

Un sistema de control de retroalimentación puede ser tan simple como tomar una medición, comparar el valor medido con el valor deseado y luego encender o apagar un actuador para acercarse al valor deseado. Esto generalmente implica accionar un relé o interruptor que controla la potencia que fluye a un actuador. Los sistemas de aire acondicionado cotidianos, por ejemplo, funcionan de esta manera. Un dispositivo de lectura de temperatura (generalmente su termostato) monitorea la temperatura actual y activa un relé o interruptor si la temperatura excede el valor deseado. El relé enciende la unidad de aire acondicionado hasta que la temperatura vuelva a un nivel cómodo.

La figura 3 muestra un ejemplo de diagrama de bloques LabVIEW para crear un sistema básico de control de encendido/apagado. La función DAQmx Read.vi toma una lectura de temperatura, y el valor de temperatura se compara con el valor Setpoint usando la función Greater?. Si la temperatura es mayor que el valor Setpoint, se envía un valor TRUE al canal de salida digital que controla el relé con la función DAQmx Write.vi.

Muchos edificios tienen aire acondicionado y un calentador para ayudar a regular la temperatura de una habitación. Si bien la refrigeración y la calefacción se realizan normalmente de forma independiente, puede utilizar un sistema de adquisición de datos basado en PC para operar ambos simultáneamente.

La figura 4 muestra un ejemplo de diagrama de bloques LabVIEW para controlar tanto la refrigeración como la calefacción. En este diagrama de bloques, el valor de temperatura medido se compara con dos puntos de ajuste diferentes, cada uno conectado al acondicionador de aire o al calentador.

Con lógica adicional, puede personalizar aún más el sistema de control y agregar características como programación de punto de ajuste, promedio de temperatura y configuración de banda muerta. También puede agregar capacidades de registro de datos y generación de informes al mismo sistema de control basado en PC.

El simple control de encendido/apagado puede no proporcionar suficiente granularidad para controlar con precisión un sistema particular con la velocidad y precisión requeridas. El control proporcional integral derivado (PID) es el algoritmo de control más común utilizado en la industria. La popularidad de los controladores PID puede atribuirse a su robusto rendimiento en una amplia gama de condiciones de funcionamiento, así como a su manera simple y directa de operar. LabVIEW cuenta con un kit de herramientas de control PID que puede utilizar para instalar funciones gráficas preconstruidas para implementar fácilmente un sistema de control PID. La función básica PID.vi se muestra en la Figura 5.

Como su nombre indica, el algoritmo PID consta de tres coeficientes básicos, proporcional, integral y derivado, que se pueden ajustar para obtener una respuesta óptima. La idea básica detrás de un controlador PID es leer un sensor y calcular la salida deseada del actuador calculando respuestas proporcionales, integrales y derivadas. El controlador toma la suma de estos tres componentes para calcular la salida. La figura 6 muestra un ejemplo de diagrama de bloques con un bucle de control PID que utiliza un canal de entrada analógica y un canal de salida analógica.

Más allá del control PID, existen varios sistemas de control avanzados basados en el modelo de estado-espacio de una planta y varios parámetros de control personalizados basados en la respuesta deseada del sistema. Diseñar un sistema de control de este tipo requiere conocimientos y experiencia en teoría de sistemas de control. Puede utilizar el módulo LabVIEW Control Design and Simulation Module, que se incluye con LabVIEW Professional, para aplicaciones que requieren este nivel de sofisticación. Este software puede ayudarlo a probar e iterar en un algoritmo de control de nuevo diseño, lo que puede ahorrarle tiempo y recursos considerables al intentar crear prototipos y validar un sistema de control avanzado.

NI-DAQmx es una potente API para aplicaciones de adquisición y control de datos, pero algunas aplicaciones requieren más determinismo, menor latencia y bucles de control más rápidos de lo que DAQmx puede proporcionar. Un sistema operativo en tiempo real (RTOS) proporciona el máximo nivel de determinismo y fiabilidad del software para los sistemas de control al dedicar todos los recursos a una aplicación desplegada. Los controladores CompactRIO y PXI pueden hacer uso de este sistema operativo en tiempo real para el determinismo avanzado con el LabVIEW Real-Time Module, un complemento para LabVIEW. Cuando se instala, este software compila código gráfico LabVIEW y lo optimiza para el destino seleccionado en tiempo real. Con el LabVIEW Real-Time Module, puede desarrollar e implementar aplicaciones en todos los objetivos de hardware en tiempo real de NI, incluidos los PC de escritorio estándar y los sistemas PXI. Con el software controlador NI-DAQmx, puede migrar fácilmente dispositivos de plataforma PCI, PCI Express y PXI de LabVIEW para Windows a LabVIEW en tiempo real en CompactRIO o PXI y conservar las mismas llamadas de función y configuración de hardware.

Para aplicaciones que requieren bucles de control de rendimiento aún mayor con velocidad y fiabilidad cronometradas por hardware, considere el uso del LabVIEW FPGA Module con CompactRIO o dispositivos reconfigurables multifunción. Los FPGA son chips de silicio reconfigurables que puede programar con el mismo entorno de desarrollo gráfico LabVIEW. CompactRIO y los dispositivos reconfigurables cuentan con procesamiento integrado definido por el usuario, así como temporización y activación de E/S completamente flexibles. Puede configurar la funcionalidad del dispositivo creando diagramas de bloques LabVIEW con LabVIEW FPGA Module. Su diagrama de bloques se ejecuta en hardware, lo que le da control directo e inmediato de todas las señales de E/S sin necesidad de comunicarse con un procesador. Con CompactRIO y dispositivos reconfigurables, puede crear múltiples bucles de control PID que se ejecutan a velocidades de hasta el rango de MHz.

La combinación de LabVIEW Real-Time y LabVIEW FPGA ofrece ventajas insuperables en cualquier aplicación de control integrada de alto rendimiento. Para obtener más información sobre los dispositivos de adquisición de datos basados en FPGA, aprenda más sobre CompactRIO y R Series Multifunction RIO.

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