Des solutions extrêmes à la périphérie et au-delà avec NI CompactRIO

​Le choix du contrôleur CompactRIO optimal pour une architecture de contrôle d’automatisation en temps réel nécessite une compréhension nuancée des compromis entre la densité de calcul, la complexité du tissu FPGA et la connectivité périphérique. Lors de la sélection d'un contrôleur, il existe actuellement deux familles NI parmi lesquelles choisir : les contrôleurs de la série cRIO-904x et ceux de la série cRIO-905x. Ces contrôleurs constituent la base des systèmes de contrôle embarqués temps réel, offrant flexibilité et performances au-delà des conceptions traditionnelles basées sur PLC. Lors de la comparaison des architectures de CompactRIO avec PLC et d’autres plates-formes, CompactRIO offre une combinaison idéale d’intégration étroite du traitement temps réel et de l’accélération FPGA, de robustesse et d’un petit facteur de forme sans ventilateur. 

​Les deux familles NI CompactRIO fournissent un environnement d'exécution déterministe via NI Linux Real-Time. Ce système d'exploitation est construit sur un noyau standard mais optimisé pour les exigences de faible latence du contrôle industriel, prenant en charge à la fois NI LabVIEW Real-Time et un vaste écosystème d'outils C/C++ et Python. 

​Le contrôleur hautes performances cRIO-904x

​Le contrôleur CompactRIO cRIO-904x est conçu pour les applications haut de gamme qui nécessitent d’importantes capacités de traitement embarqué et d’interface homme-machine (IHM) intégrée. L’architecture est définie par le FPGA Xilinx KintexTM 7, qui offre un nombre de cellules logiques plus élevé et des tranches de traitement du signal numérique (DSP) plus robustes que l’ArtixTM 7 trouvé dans le cRIO-905x. Ce FPGA rend le cRIO-904x mieux adapté aux applications impliquant des algorithmes de contrôle complexes, une intégration de vision haute vitesse ou un traitement parallèle massif des données. 

​L’un des principaux facteurs de différenciation du cRIO-904x est sa connectivité. Il comprend deux ports série intégrés (supportant RS-232 et RS-485) et un port USB 3.1 Type-C équipé de DisplayPortTM Alternate Mode (DP Alt Mode). Ce mode Alt permet au contrôleur de piloter directement un moniteur externe, activant la fonctionnalité « IU embarquée » où une IHM locale peut être rendue par le processeur sans avoir besoin d’un PC industriel séparé.

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​Le contrôleur de valeur optimisé cRIO-905x

​Le cRIO-905x est une alternative plus rentable qui ne sacrifie pas la robustesse ou le déterminisme inhérent à la plate-forme. En utilisant la technologie FPGA Xilinx Artix 7, ces contrôleurs fournissent un profil de performances équilibré pour les tâches industrielles standard telles que la surveillance de la température, les boucles de contrôle de vitesse faible à moyenne et l’enregistrement distribué des données.

​Bien que le cRIO-905x n'ait pas les ports série intégrés, la carte SD pleine taille et la sortie vidéo DisplayPort directe du cRIO-904x, il introduit un emplacement pour carte microSD pour le stockage amovible, ce qui est très avantageux pour les applications d'enregistrement de données où de grands volumes de données doivent être transférés physiquement. Le cRIO-905x est souvent le choix préféré pour les nœuds distribués « sans tête » qui communiquent via Ethernet vers un serveur centralisé ou une IHM.

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L’intégration d’un FPGA dans l’architecture CompactRIO permet des systèmes de contrôle déterministes et des capacités de commande d’axes en temps réel. Cette fonctionnalité rend CompactRIO idéal pour les applications hautes performances telles que le contrôle et la surveillance prévisionnels en temps réel. Par exemple, le FPGA Kintex 7 permet un contrôle de mouvement temps réel complexe et un traitement parallèle haute vitesse où le FPGA agit comme un fond de panier programmable qui gère la communication entre les modules d’E/S de la Série C et le processeur temps réel.

Capacités de Kintex 7 versus Artix 7

Le choix entre ces deux familles de FPGA est le principal facteur de coût et de capacité du système. Le Kintex 7 est un FPGA de moyenne gamme qui fournit une densité logique et des performances par watt élevées. Son plus grand nombre de cellules logiques permet d’implémenter des algorithmes de traitement du signal numérique (DSP) plus complexes dans le matériel. Par exemple, le Kintex 7 325T trouvé dans le cRIO-9049 contient plus de 325 000 cellules logiques et 840 slices DSP, permettant l’implémentation de filtres d’ordre supérieur, de transformées de Fourier rapides (FFT) et de profils de commande d’axes multiples qui submergeraient le processeur.

Inversement, l’Artix 7 est optimisé pour une consommation d’énergie plus faible et un encombrement réduit, ce qui le rend idéal pour le cRIO-905x. Bien qu’il s’agisse de l’option « value », un FPGA Artix 7 100T dispose toujours de ressources suffisantes pour la plupart des tâches de contrôle industriel standard, y compris la génération de PWM, le décodage d’encodeur en quadrature et le déclenchement numérique personnalisé. Le cRIO-904x répond généralement à des contraintes de cadencement plus strictes, ce qui est un effet de second ordre de l’architecture supérieure de routage et d’horloge du tissu Kintex.

​L'une des fonctionnalités les plus innovantes des contrôleurs cRIO-904x et 905x est la possibilité de sélectionner le mode de programmation sur une base par emplacement entre Real-Time NI-DAQmx, LabVIEW FPGA et Real-Time Scan Mode. Cette capacité « Mode hybride » permet aux développeurs de combiner la convivialité du driver de haut niveau avec une personnalisation matérielle de bas niveau dans un seul châssis.

Mode de programmation NI-DAQmx temps réel

L’introduction de NI-DAQmx sur la plate-forme CompactRIO moderne a entraîné une évolution positive de la productivité des développeurs. Historiquement, CompactRIO nécessitait des techniques de programmation plus avancées pour la plupart des tâches. En mode NI-DAQmx, un module de la Série C se comporte comme s'il se trouvait dans un châssis CompactDAQ même s'il est utilisé dans un système CompactRIO. Le driver NI-DAQmx, driver standard pour tous les produits NI DAQ, fournit une interface familière aux ingénieurs pour le développement rapide de la configuration, du cadencement et du déclenchement des tâches. Ce mode réduit considérablement le temps de développement par rapport aux approches de programmation CompactRIO traditionnelles.

Ce mode est recommandé pour des fréquences de contrôle allant jusqu'à 5 kHz sur les contrôleurs cRIO-904x et 2,5 kHz sur les contrôleurs cRIO-905x. Il prend en charge l’acquisition point par point à cadencement matériel, ce qui est vital pour les boucles de contrôle qui nécessitent que le dernier échantillon soit traité avec une latence minimale sans la surcharge de la gestion du buffer. Dans ce mode, les modules apparaissent sous les éléments Program Mode > Real-Time resources dans LabVIEW Project Explorer.

Figure 1 : En utilisant NI Measurement & Automation Explorer (MAX), les modules individuels peuvent être configurés dans l'un des trois modes de programmation différents.

Mode de programmation LabVIEW FPGA

Pour les applications nécessitant des performances plus élevées, un cadencement personnalisé ou une synchronisation inférieure à la microseconde, le mode de programmation LabVIEW FPGA (utilisant le LabVIEW FPGA Module) reste le choix principal. Ce mode fournit un accès direct au tissu FPGA. Vous créez un VI LabVIEW FPGA, que vous compilez ensuite dans un fichier bitfile matériel et que vous déployez sur le contrôleur.

La programmation LabVIEW FPGA est nécessaire pour toute fréquence de contrôle supérieure à 5 kHz ou pour les tâches qui doivent être exécutées avec un jitter nul, comme la PWM haute fréquence ou les protocoles de communication personnalisés. Pour utiliser ce mode, vous devez installer LabVIEW FPGA Module sur votre hôte de développement.

Mode de balayage temps réel (Variables d'E/S)

L'interface de balayage RIO, ou mode de balayage, est conçue pour le développement rapide de systèmes de contrôle et de surveillance à vitesse lente (généralement <1 kHz). LabVIEW programme automatiquement le FPGA avec un fichier bitfile fixe qui balaie tous les modules à une fréquence définie par l'utilisateur et présente les données sous forme de variables d'E/S. Bien que la méthode recommandée pour la plupart des systèmes modernes soit le mode temps réel NI-DAQmx, le mode balayage peut être avantageux pour les systèmes où les modules d'E/S sont fréquemment permutés, car il prend en charge la détection dynamique des types de modules. 

Apprenez à utiliser Scan Mode.

Tableau 1 : Comparaison des modes de programmation pour cRIO-904x et cRIO-905x.

La polyvalence de la plate-forme CompactRIO est dérivée de l’écosystème de modules de la Série C, qui permet une acquisition de données multivoies (DAQ) évolutive dans un large éventail d’applications utilisant plus de 100 modules différents conçus pour une gamme de types de signaux, de conditions environnementales et d’applications telles que les systèmes de mesure haute vitesse et de précision.

Architectures d'entrée analogique (AI)

Choisir le bon module d'entrée analogique implique d'évaluer la résolution (bits), la fréquence d'échantillonnage et l'isolation requises. NI utilise trois architectures principales pour les modules AI de la Série C :

1. Architectures basées sur des registres d'approximation successifs (SAR) — Ces modules, tels que les NI-9201 et NI-9205, sont polyvalents et comportent souvent des entrées multiplexées. Ils conviennent aux mesures de moyenne vitesse comme la pression ou le débit.
2. Architectures basées sur le delta-sigma — Utilisée dans les modules haute résolution (comme les NI-9234, NI-9232 et NI-9250), cette architecture fournit un excellent anti-repliement et est la norme pour les mesures de son, de vibration et de déformation de précision.
3. Architectures basées sur l’échantillonnage simultané — Ces modules, tels que le NI-9223, disposent d’un C A/N dédié par voie, garantissant ainsi aucun délai de phase entre les mesures, ce qui est essentiel pour la qualité de l’énergie ou l’analyse structurelle haute vitesse.

Modules de température et capteurs spécialisés

La mesure de la température est la pierre angulaire des systèmes de surveillance. NI fournit des modules spécifiques pour les thermocouples, comme le NI-9213, ainsi que des détecteurs de température à résistance (RTD), comme le NI-9216. Ces modules incluent une compensation de soudure froide (CSF) intégrée et des C A/N haute résolution pour gérer les signaux de niveau millivolt caractéristiques des capteurs de température. 

Pour les tests d’intégrité structurelle ou de matériaux, les modules de déformation/pont tels que le NI-9237 fournissent un complément de pont intégré pour les capteurs quart de pont, demi-pont et pont complet, ainsi que des tensions d’excitation programmables.

E/S numériques et contrôle industriel

Les modules numériques (NI-94xx) s'interfacent avec des niveaux logiques industriels, généralement une logique industrielle de 5 V TTL ou 24 V. Le NI-9401 est un module numérique bidirectionnel haute vitesse populaire, tandis que le NI-9477 est un module de sortie numérique à absorption 32 voies conçu pour piloter des solénoïdes et des relais industriels jusqu'à 60 V.

Au-delà des E/S standard, CompactRIO prend en charge une variété de protocoles de communication industriels, notamment EtherCAT (en tant que maître), 802.1AS ou Time-Sensitive Networking (TSN), CAN, CANopen et Modbus pour la surveillance et le contrôle en temps réel. Le NI-9862 fournit une interface CAN à un port avec le support des drivers NI-XNET, ce qui est essentiel pour les tests automobiles ou aérospatiaux. Pour les anciens périphériques série, le NI-9870 ajoute quatre ports RS-232 au système. Ces options rendent CompactRIO idéal pour la surveillance et le contrôle industriels et la surveillance et le contrôle à distance pour les machines industrielles, le contrôle de processus en temps réel et les systèmes industriels distribués.

Extension du système

Alors qu’un contrôleur à 8 emplacements fournit une densité d’E/S significative, de nombreuses applications nécessitent des emplacements supplémentaires en s’étendant au-delà du châssis à 8 emplacements. Les cRIO-904x et cRIO-905x supportent plusieurs méthodes d'extension :

1. Châssis cDAQ-9185/9189 : L’utilisation de la capacité Time-Sensitive Networking (TSN) des cRIO-904x/905x avec un châssis cDAQ-9185/9189 utilisant NI-DAQmx est un moyen d’étendre les E/S tout en maintenant la synchronisation haute vitesse.
2. Châssis CompactRIO EtherCAT NI-9145 : La connexion d'un contrôleur cRIO au châssis esclave EtherCAT NI-9145 à 8 emplacements offre un protocole industriel déterministe idéal pour la commande d'axes et les tâches en temps réel distribuées. EtherCAT RIO utilise une topologie en série et supporte jusqu'à 65 535 esclaves.
3. Châssis CompactRIO Ethernet NI-9149 : Le châssis CompactRIO Ethernet NI-9149 est idéal pour la surveillance distribuée où le déterminisme dur est moins critique mais où une flexibilité réseau standard est souhaitée.

Dans les environnements industriels, l’intégrité du signal est souvent compromise par les boucles de masse et les interférences électromagnétiques (EMI). Les modules CompactRIO y répondent par diverses stratégies d’isolation :

• Isolation voie-terre — Protège le système des surtensions haute tension et garantit que le régulateur n'est pas endommagé par les différences de potentiel de masse.
• Isolation voie à voie — Chaque voie est isolée électroniquement des autres, offrant le plus haut niveau d'immunité au bruit et de sécurité.
• isolation par banque : un groupe de voies partage une masse isolée commune, offrant un juste milieu entre le coût et la protection. 

Les modules CompactRIO fournissent des performances DAQ haute vitesse tout en fonctionnant comme du matériel DAQ robuste dans des environnements difficiles. La robustesse de la plate-forme est encore démontrée par ses évaluations environnementales. La plupart des modules et contrôleurs sont conçus pour une gamme de température de fonctionnement de -40 °C à 70 °C et peuvent supporter 50 g de chocs et 5 g de vibrations. Pour les environnements extrêmement difficiles, le revêtement conforme est une option disponible pour de nombreux modèles afin de protéger contre l’humidité et les contaminants. Cette robustesse et cette fiabilité accrues font du CompactRIO la solution idéale pour l’acquisition de données industrielles dans des environnements difficiles.

Un déploiement CompactRIO réussi dépend d’une infrastructure physique appropriée. CompactRIO permet l’acquisition de données mobiles dans des applications DAQ à environnement difficile, où la durabilité et la conception thermique sont essentielles. Une bonne intégration garantit un fonctionnement fiable du châssis CompactRIO dans les systèmes industriels. Cet environnement implique la sélection des alimentations appropriées, le montage du matériel et la gestion thermique.

Sélection du système d'alimentation

Les cRIO-904x et cRIO-905x nécessitent une source d'alimentation CC de 9 V à 30 V. Pour les installations industrielles, les alimentations montées sur rail DIN telles que le NI PS-25 (24 VCC, 5 A) sont le choix standard. Les entrées d'alimentation redondantes des contrôleurs de la série cRIO-904x permettent de connecter deux sources d'alimentation distinctes, garantissant qu'une seule panne d'alimentation ne provoque pas un arrêt du système, une fonctionnalité importante pour la surveillance critique.

Tableau 2 : Accessoires d'alimentation essentiels pour les systèmes CompactRIO.

Montage et conception thermique

CompactRIO est conçu pour être monté sur une surface métallique qui agit comme un dissipateur thermique. NI recommande une « configuration de montage de référence » spécifique (orientation horizontale) pour atteindre la température de fonctionnement maximale spécifiée.

• Montage sur panneau — Le boulonnage direct du châssis sur un panneau métallique est la meilleure méthode pour les environnements à fortes vibrations.
• Montage sur rail DIN — Les kits NI-990x permettent au châssis de se fixer sur un rail DIN standard de 35 mm.
• Montage en baie — Les boîtiers de 19 pouces montés en baie ou les kits de rack NI sont utilisés pour l'intégration dans des armoires de type serveur.

Sécurité des emplacements dangereux

Pour un déploiement dans des usines pétrolières et gazières, chimiques ou pharmaceutiques, les cRIO-904x et cRIO-905x sont certifiés pour les emplacements dangereux de Classe I, Division 2 et ATEX Zone 2. Ces certifications indiquent que le matériel ne fournira pas de source d’allumage dans des conditions de fonctionnement normales. Cependant, les installeurs doivent respecter des directives spécifiques « Ex ec » (sécurité accrue), telles que l’utilisation de boîtiers certifiés IP54 et s’assurer que les modules ne sont pas retirés pendant que le système est alimenté, sauf si la zone est connue pour être non dangereuse.

La maintenance d’un système CompactRIO nécessite une attention particulière au contrôle des versions logicielles. Pour utiliser pleinement le contrôleur CompactRIO, vous aurez besoin de LabVIEW, LabVIEW Real-Time Module et LabVIEW FPGA Module. Vous pouvez également programmer le contrôleur en utilisant Python et C/C++ avec certaines limitations. LabVIEW FPGA Module est nécessaire pour créer des fichiers bitfile personnalisés pour le FPGA. Les ingénieurs utilisent également souvent des outils HIL populaires tels que NI VeriStand pour les tests de systèmes de contrôle en temps réel.

NI Utilitaire de configuration du matériel

L'utilitaire de configuration du matériel NI est le principal outil de découverte et de configuration du système. Lorsqu'un nouveau contrôleur est connecté via USB ou Ethernet, vous utilisez l'utilitaire de configuration du matériel NI pour installer le système d'exploitation NI Linux Real-Time, formater le disque interne et installer tous les drivers et logiciels dont vous avez besoin pour l'utiliser. L'utilitaire fournit également des panneaux de test pour vérifier que le contrôleur et les modules communiquent correctement avant qu'une seule ligne de code ne soit écrite.

La sécurité est devenue très importante car les organisations doivent aborder la cybersécurité des systèmes de contrôle industriels et la sécurité de l’informatique de pointe lors du déploiement des systèmes CompactRIO. Nous fournissons des conseils alignés sur les normes de sécurité des systèmes de contrôle industriels et les pratiques de cybersécurité SCADA. 

Consultez les dernières informations sur les problèmes de sécurité qui affectent CompactRIO.

L’utilisation de CompactRIO pour les applications de contrôle et de surveillance représente un investissement stratégique dans la longévité et la capacité de votre système de contrôle. En tirant parti du driver NI-DAQmx, vous pouvez réduire considérablement le temps de développement traditionnellement associé aux systèmes basés sur FPGA, tandis que l’inclusion de technologies telles que TSN garantit que le système est prêt pour l’avenir des mesures distribuées et synchronisées sur réseau.

Les capacités et les performances de la plate-forme CompactRIO constituent une base inégalée pour l’innovation industrielle. Qu’il s’agisse d’un robot chirurgical ou d’un réseau de surveillance structurelle réparti géographiquement, CompactRIO offre la robustesse d’un PLC avec la flexibilité quasi infinie d’un FPGA programmable par l’utilisateur.

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