Conception d'applications de contrôle avec du matériel d'acquisition de données et NI-DAQmx

Avec des centaines d’options matérielles parmi lesquelles choisir, vous avez plusieurs facteurs à prendre en compte pour sélectionner le bon périphérique d’acquisition de données (DAQ) pour une application de contrôle. Tout d’abord, vous devez comprendre le nombre de voies, le type de données, le filtrage et les besoins de conditionnement du signal pour les capteurs que vous souhaitez utiliser dans votre application d’acquisition de données. Ensuite, vous devrez connaître les performances dont vous avez besoin de votre périphérique DAQ : la précision, la résolution, le déterminisme et la latence nécessaires pour acquérir des signaux clairs à des fréquences d’échantillonnage appropriées. Cela indiquera quelle plate-forme DAQ vous devriez choisir.

Une fois vos E/S parfaitement comprises, vous pouvez sélectionner la plate-forme matérielle adaptée à votre application. Tous les systèmes ci-dessous peuvent être programmés à l’aide de l’API NI-DAQmx, pour accéder aux données et effectuer le contrôle rapidement et facilement.

NI-DAQmx, le driver utilisé pour communiquer avec les périphériques de mesure NI DAQ, est inclus avec plus de 200 périphériques d'acquisition de données National Instruments. NI-DAQmx supporte plusieurs langages de programmation, notamment NI LabVIEW, LabWindowsTM/CVI, ANSI C/C++, Visual Basic 6.0 et C#/Visual Basic .NET. Pour les applications de contrôle, NI-DAQmx dispose de fonctionnalités déterministes spécifiques telles que les appels de fonctions point par point à cadencement matériel et le support pour les systèmes d'exploitation LabVIEW Real-Time.

Ce white paper se concentrera sur l'utilisation du driver NI-DAQmx avec LabVIEW . Le logiciel de programmation graphique LabVIEW offre un environnement de développement d'applications convivial conçu spécifiquement pour les besoins des ingénieurs et des scientifiques. Sans aucune expérience de programmation préalable, vous pouvez configurer votre matériel, prendre des mesures de capteur, comparer la valeur mesurée à la consigne souhaitée et mettre à jour les signaux en sortie. Le driver NI-DAQmx fournit des fonctions graphiques pour lire et écrire des valeurs et interagir directement avec les E/S matérielles. LabVIEW offre la meilleure intégration entre le logiciel et le matériel, réduisant la complexité globale de la programmation et vous faisant gagner du temps de développement.

L'interface de programmation d'applications (API) NI-DAQmx est entièrement évolutive, du simple contrôle ON/OFF au PID et autres algorithmes de contrôle avancés. Les quelques sections suivantes offrent des exemples de programmation graphique requise pour implémenter divers systèmes de contrôle.

Un système de contrôle de rétroaction peut être aussi simple que de prendre une mesure, de comparer la valeur mesurée à la valeur désirée, puis d'allumer ou d'éteindre un actionneur pour se rapprocher de la valeur désirée. Il s’agit généralement de piloter un relais ou un commutateur qui contrôle l’alimentation d’un actionneur. Les systèmes de climatisation quotidiens, par exemple, fonctionnent de cette manière. Un appareil de lecture de température (généralement votre thermostat) surveille la température actuelle et déclenche un relais ou un commutateur si la température dépasse la valeur désirée. Le relais allume l'appareil de climatisation jusqu'à ce que la température revienne à un niveau confortable.

La figure 3 montre un exemple de diagramme LabVIEW pour créer un système de contrôle marche/arrêt de base. La fonction DAQmx - Lire.vi relève la température et compare la valeur de la température à la valeur de la Consigne en utilisant la fonction Supérieur?. Si la température est supérieure à la valeur de Consigne, une valeur VRAI est envoyée à la voie de sortie numérique contrôlant le relais avec la fonction DAQmx - Écrire.

De nombreux bâtiments ont à la fois un climatiseur et un chauffage pour aider à réguler la température d'une pièce. Bien que le refroidissement et le chauffage soient généralement effectués indépendamment, vous pouvez utiliser un système d’acquisition de données sur PC pour faire fonctionner les deux simultanément.

La figure 4 montre un exemple de diagramme LabVIEW pour contrôler à la fois le refroidissement et le chauffage. Dans ce diagramme, la valeur de température mesurée est comparée à deux points de consigne différents, chacun connecté au climatiseur ou au chauffage.

Avec une logique supplémentaire, vous pouvez personnaliser encore plus le système de contrôle et ajouter des fonctionnalités telles que la planification de la consigne, le moyennage de la température et la configuration de la bande morte. Vous pouvez également ajouter des capacités d'enregistrement des données et de génération de rapports au même système de contrôle sur PC.

Un simple contrôle marche/arrêt peut ne pas fournir suffisamment de granularité pour contrôler avec précision un système particulier avec la vitesse et la précision requises. L ' algorithme PID est l ' algorithme de contrôle le plus fréquemment utilisé dans l ' industrie. La popularité des régulations PID peut être attribuée à leurs performances robustes dans un large éventail de conditions de fonctionnement ainsi qu’à leur mode de fonctionnement simple et direct. LabVIEW propose un toolkit PID Control que vous pouvez utiliser pour installer des fonctions graphiques prédéfinies afin d'implémenter facilement un système de contrôle PID. La fonction PID.vi de base est illustrée à la figure 5.

Comme son nom l'indique, l'algorithme PID se compose de trois coefficients de base, proportionnel, intégral et dérivé, que vous pouvez ajuster pour obtenir une réponse optimale. L’idée de base derrière un régulateur PID est de lire un capteur et de calculer la sortie d’actionneur désirée en calculant les réponses proportionnelle, intégrale et dérivée. Le régulateur prend la somme de ces trois composantes pour calculer la sortie. La figure 6 montre un exemple de diagramme avec une boucle de contrôle PID utilisant une voie d'entrée analogique et une voie de sortie analogique.

Au-delà du contrôle PID, il existe plusieurs systèmes de contrôle avancés basés sur le modèle état-espace d’une installation et plusieurs paramètres de contrôle personnalisés basés sur la réponse système souhaitée. La conception d’un tel système de contrôle nécessite des connaissances et une expérience en théorie des systèmes de contrôle. Vous pouvez utiliser LabVIEW Control Design and Simulation Module, inclus avec LabVIEW Professional, pour les applications qui requièrent ce niveau de sophistication. Ce logiciel peut vous aider à tester et à itérer sur un algorithme de contrôle nouvellement conçu, ce qui peut vous faire gagner beaucoup de temps et de ressources lorsque vous essayez de prototyper et de valider un système de contrôle avancé.

NI-DAQmx est une puissante API pour les applications d'acquisition de données et de contrôle, mais certaines applications nécessitent plus de déterminisme, une latence plus faible et des boucles de contrôle plus rapides que DAQmx ne peut fournir. Un système d'exploitation temps réel (RTOS) fournit le niveau maximal de déterminisme logiciel et de fiabilité pour les systèmes de contrôle en dédiant toutes les ressources à une application déployée. Les contrôleurs CompactRIO et PXI peuvent utiliser ce système d’exploitation temps réel pour un déterminisme avancé avec le LabVIEW Real-Time Module, un complément logiciel pour LabVIEW. Une fois installé, ce logiciel compile le code graphique LabVIEW et l'optimise pour la cible temps réel sélectionnée. En utilisant LabVIEW Real-Time Module, vous pouvez développer et déployer des applications sur toutes les cibles matérielles temps réel NI, y compris les PC de bureau standard et les systèmes PXI. Avec le driver NI-DAQmx, vous pouvez facilement migrer les périphériques de la plate-forme PCI, PCI Express et PXI de LabVIEW pour Windows vers LabVIEW Real-Time sur CompactRIO ou PXI et conserver les mêmes appels de fonctions et la même configuration matérielle.

Pour les applications qui nécessitent des boucles de contrôle encore plus performantes avec une vitesse et une fiabilité à cadencement matériel, envisagez d'utiliser le LabVIEW FPGA Module avec CompactRIO ou des périphériques reconfigurables multifonctions. Les FPGA sont des puces de silicium reconfigurables que vous pouvez programmer avec le même environnement de développement graphique LabVIEW. CompactRIO et les périphériques reconfigurables incluent un traitement embarqué défini par l’utilisateur ainsi qu’un cadencement et un déclenchement d’E/S totalement flexibles. Vous pouvez configurer les fonctionnalités du périphérique en créant des diagrammes LabVIEW avec le LabVIEW FPGA Module . Votre diagramme s'exécute dans le matériel, vous donnant un contrôle direct et immédiat de tous les signaux d'E/S sans avoir besoin de communiquer avec un processeur. Avec CompactRIO et les périphériques reconfigurables, vous pouvez créer plusieurs boucles de contrôle PID qui s’exécutent à des vitesses allant jusqu’à la gamme MHz.

La combinaison de LabVIEW Real-Time et LabVIEW FPGA offre des avantages inégalés dans toute application de contrôle embarqué hautes performances. Pour en savoir plus sur les périphériques d’acquisition de données basés sur FPGA, découvrez CompactRIO et R Series Multifunction RIO.

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