Utilisation de l'ensemble de fonctionnalités haute fiabilité NI d'E/S numériques pour les applications industrielles

L'isolation sépare physiquement et électriquement deux parties d'un circuit et présente plusieurs avantages. Il brise les boucles de masse, améliore la tension de mode commun et la réjection du bruit, et permet à deux parties du circuit d’être à des niveaux de tension différents. L'isolation protège également les circuits informatiques. Les applications industrielles nécessitent souvent une isolation pour protéger l’électronique des pointes de tension transitoires et pour fournir une plus grande réjection du bruit de mode commun dans les environnements électriquement bruyants contenant des machines et des charges inductives. Dans le cas d'E/S isolées voie à voie, chaque voie a son propre terminal de masse. Dans les périphériques isolés par banc, chaque banc (ou groupe) est composé de plusieurs canaux qui partagent la même masse mais sont isolés des autres bancs.

Mélangeur de pigments chimique

Le mélange chimique de pigments est un procédé qui mélange des produits chimiques inorganiques pour les pigments et les colorants. Une pompe à débit chimique et une vanne de contrôle hydraulique régulent le débit des deux produits chimiques utilisés. La pompe et la vanne ont chacune leur propre référence à la masse, et la pompe est connectée à un commutateur d'arrêt d'urgence qui a la même référence à la masse. De plus, les deux références à la masse diffèrent de 5 V.

En l’absence d’isolation (voir Figure 1), les trois périphériques doivent être connectés directement les uns aux autres, ce qui produit une boucle de masse causée par la différence de tension dans les références de masse.

Figure 1. Connexion non isolée

Ce flux de courant peut endommager le circuit de la pompe et de la vanne. De plus, des lectures incorrectes peuvent se produire en raison de la charge accrue sur les sorties de signaux des périphériques. Avec un produit numérique isolé par banque (figure 2), les périphériques peuvent fonctionner avec leur propre référence à la masse, même avec la grande différence de tension.

Figure 2. Connexion isolée par banque

Les environnements industriels comme celui-ci ont tendance à être très bruyants électriquement. Quelques exemples de sources de bruit sont les câbles d'alimentation, les moteurs électriques et les relais. Dans cet environnement bruyant, l'isolation protège le circuit numérique du périphérique d'E/S des tensions qui se trouvent au-delà de sa gamme de fonctionnement normale.

En cas de défaillance d'un système automatisé de grande taille, il est impératif de pouvoir remonter dans le temps l'état du système au moment de la défaillance. Tout aussi importants sont les états qui mènent au moment de l'échec.

Surveillance des centrales

En août 2003, plusieurs villes du nord-est de l'Amérique ont été frappées par une panne d'électricité qui a privé des millions de personnes d'électricité. Au cours de l'enquête qui a suivi, les responsables ont tenté de déterminer la cause de la panne. Dans un événement comme celui-ci, la possibilité de visualiser l’état du système avant la panne – minutes, heures ou même jours avant – est extrêmement précieuse.

Comme un système peut changer sporadiquement, il doit être surveillé en tout temps. D’autre part, mesurer constamment le système à un intervalle donné peut entraîner d’énormes quantités de données, dont la plupart sont répétitives et sans pertinence. La détection de changement offre le meilleur des deux mondes en supprimant les données répétitives tout en enregistrant les événements système importants. En utilisant la détection de changement, les données sont capturées uniquement lorsqu'un front montant ou descendant est détecté sur des entrées spécifiées. Par exemple, à chaque fois qu'un relais s'ouvre ou se ferme, les états de tous les relais seront capturés et enregistrés au cas où ils seraient nécessaires ultérieurement.

La création d'un programme pour utiliser la détection de changement est simple dans NI-DAQmx. Le VI NI-DAQmx - Cadencement a une nouvelle instance polymorphe qui traite la détection de changement comme toute autre opération d'entrée NI-DAQmx bufférisée (Figure 3). Le programmeur a un contrôle total sur les lignes utilisées pour détecter un changement. La commande Lignes de front montant et Lignes de front descendant peut être remplie avec n'importe quelle combinaison de lignes d'entrée qui existent physiquement sur le périphérique. La section suivante explique comment la détection de changement est encore plus utile lorsqu’elle est utilisée avec le filtrage d’entrée numérique.

Figure 3. Configuration de la détection de changement dans NI-DAQmx

Comme mentionné précédemment, les environnements industriels peuvent être bruyants électriquement. Ce bruit peut causer divers problèmes, dont des lectures indésirables. Tout périphérique d'entrée numérique utilise un ou deux seuils de tension pour déterminer si l'entrée est haute ou basse. Lorsque la tension d'entrée est supérieure au seuil haut, le périphérique lit un niveau logique haut. Inversement, si la tension est inférieure au seuil bas, le périphérique lit un niveau logique bas. Si du bruit est présent, la tension d'entrée risque de franchir les seuils de manière inattendue, provoquant une lecture haute ou basse incorrecte. Dans d'autres cas, un signal peut sembler changer d'état plusieurs fois, alors qu'en réalité il n'a changé qu'une fois.

Raffinerie de pétrole

Dans les raffineries de pétrole, un commutateur à clé peut être utilisé pour activer le flux de pétrole brut dans une chambre de raffinage. Le commutateur, cependant, a tendance à présenter beaucoup de rebonds. Tout comme une balle qui rebondit sur une surface dure, l'un des contacts métalliques aura tendance à rebondir lorsqu'il est forcé dans l'autre contact. Le basculement répété du signal provoquerait la mise en marche et l'arrêt rapides de la pompe qu'elle contrôle, ce qui pourrait accélérer l'usure de la pompe et éventuellement conduire à une défaillance prématurée. De plus, si vous utilisiez un périphérique NI avec détection de changement pour acquérir ce signal, le buffer d'entrée se remplirait inutilement.

Si les filtres d'entrée sont activés sur le périphérique NI, cela éliminera les lectures erronées causées par le commutateur de rebond. Pour ce faire, il ignore les impulsions de trop petite largeur. Le périphérique NI peut alors renvoyer le signal filtré à la pompe. Avec des filtres d'entrée programmables, l'utilisateur peut sélectionner par programmation la largeur d'impulsion minimale qui passera (figure 4).

Figure 4. Configuration des filtres d'entrée dans NI-DAQmx

Toute impulsion supérieure à l'impulsion minimale spécifiée passera, et toute impulsion inférieure à la moitié de la largeur d'impulsion spécifiée sera filtrée. Les impulsions qui se situent entre la moitié de la largeur d'impulsion et une largeur d'impulsion complète peuvent ou non passer.

Lorsqu'un ordinateur est sous tension, divers composants commencent leurs propres routines de mise sous tension pour s'assurer qu'ils atteignent un état fonctionnel et attendu. Si un périphérique de sortie numérique est utilisé à l'intérieur de l'ordinateur pour contrôler une machine ou un processus industriel, il est important que les sorties numériques soient également initialisées à un état connu. La modification des sorties nécessite généralement qu'une application soit en cours d'exécution, mais le périphérique peut être allumé pendant plusieurs minutes avant que l'application puisse démarrer. Il est important que le périphérique numérique lui-même puisse définir ses sorties dès qu'il reçoit de l'alimentation.

Laminoir

Dans un laminoir, l'acier chauffé est forcé à travers des machines de laminage pour créer des poutres en acier de largeurs variables. Le moteur roulant est contrôlé par une ligne de sortie numérique d'un matériel d'E/S numériques. Lorsque l'ordinateur est sous tension, les moteurs roulants doivent être éteints pour éviter le gaspillage d'acier au démarrage. Si le matériel d'E/S numériques ne fournit pas un moyen de garantir les sorties initiales, l'ordinateur doit démarrer complètement et un programme de contrôle doit être démarré avant que des états connus ne soient émis sur les voies. Ce manque de contrôle pourrait entraîner le gaspillage de matières premières coûteuses et des dommages aux équipements. Les états de démarrage sans impulsion transitoire garantissent que toutes les sorties numériques commenceront dans un état connu à chaque fois que le périphérique est sous tension. Comme aucune machine ne s'allume de manière inattendue, aucun acier n'est gaspillé.

Sur les nouveaux produits numériques NI, les états de démarrage programmables sont implémentés dans une EEPROM sur le périphérique. Les états au démarrage dans l'EEPROM peuvent être modifiés par programmation par l'une ou l'autre de deux méthodes différentes. A) Le VI NI-DAQmx - Définir des états au démarrage peut être exécuté dans LabVIEW (Figure 5). Lorsque le VI est exécuté, les paramètres sont téléchargés dans l'EEPROM.

Figure 5. États au démarrage dans LabVIEW

B) Ces paramètres peuvent aussi être écrits à partir de NI Measurement & Automation Explorer (MAX) en ouvrant la page de propriétés du périphérique. Les paramètres désirés sont écrits lorsque l'utilisateur clique sur le bouton OK (Figure 6). Ces deux méthodes sont faciles à utiliser pour implémenter des états de démarrage programmables.

Figure 6. États au démarrage dans MAX

Les systèmes de contrôle requièrent généralement une redondance ou des mécanismes de sécurité. En cas de défaillance inattendue d'un composant du système, le mécanisme de sécurité prend le relais et place le système dans un état de sécurité connu. Les chiens de garde d'E/S numériques des nouveaux produits numériques industriels NI fournissent une méthode pour détecter les erreurs système et en récupérer en toute sécurité. Notez que la fonctionnalité Chien de garde NI-DAQmx vise à protéger un système contre les erreurs logicielles et les blocages. Dans le cas d'un système PXI avec contrôle à distance via MXI, une connexion MXI perdue pourrait entraîner un comportement inattendu du chien de garde et donc des états de chien de garde implémentés de manière incorrecte. 

Usine de bonbons

La gomme à bulles est coupée et emballée dans une usine de bonbons. Une lame coupe la gomme en morceaux, et un convoyeur déplace les morceaux dans une machine d'emballage. La lame et le convoyeur sont contrôlés par lignes de sortie numérique. Si l'application de contrôle se bloque, le convoyeur devrait idéalement arrêter de se déplacer et la lame serait éloignée de la gencive. Sinon, les machines pourraient être endommagées et la gomme inutilement gaspillée. Les chiens de garde d'E/S numériques permettent de définir les sorties d'un périphérique numérique à des états de sécurité connus en cas de défaillance ou de défaillance du système. Le périphérique numérique reçoit constamment la confirmation que l'ordinateur fonctionne toujours correctement. Si cette confirmation n'est pas reçue dans un timeout programmable, les états sans échec sont écrits sur les sorties. La figure 7 ci-dessous montre le flux d'informations en fonctionnement normal.

Figure 7. Organigramme du timer chien de garde montrant les niveaux matériel et logiciel séparés

Une fois le chien de garde configuré et démarré, l'application logicielle doit réinitialiser continuellement le timer pour éviter l'expiration. Cette tâche est effectuée avec le VI NI-DAQmx Control Watchdog Task.vi comme le montre la figure 8. Cette réinitialisation sert de confirmation discutée ci-dessus.

Figure 8. Configuration et réinitialisation du timer chien de garde

Dans l'organigramme continu de la figure 9, si une défaillance se produit (comme le blocage de l'ordinateur), le matériel continuera à compter à rebours jusqu'à l'expiration du timeout. À ce moment-là, les états de sécurité prédéfinis sont écrits sur les sorties et toutes les écritures futures sont ignorées.

Figure 9. Organigramme montrant l'expiration du timer chien de garde

Pour que le périphérique puisse à nouveau répondre aux commandes du matériel, l'expiration doit être effacée, toujours en utilisant le VI NI-DAQmx Control Watchdog Task.vi comme le montre la figure 10.

Figure 10. Effacer l'expiration

Les chiens de garde d'E/S numériques protègent contre divers types de défaillances, notamment les blocages d'applications, les blocages d'ordinateurs et les plantages globaux du système. Il est important de noter de la description ci-dessus qu'une fois configuré, le chien de garde ne dépend pas du logiciel pour renvoyer les états sans échec. Le logiciel n'est requis que pour réinitialiser le timer. 

Le nouvel ensemble de fonctionnalités industrielles haute fiabilité est un moyen puissant de réguler les processus industriels, de réduire le bruit, de limiter les dommages aux machines et de prévenir le gaspillage. Toutes les fonctionnalités programmables sont facilement implémentées avec NI-DAQmx, elles peuvent donc être rapidement déployées en usine. Les produits isolés permettent d’acquérir et de générer des signaux numériques haute tension, protégeant ainsi le circuit interne du périphérique d’E/S et de l’ordinateur. Avec cet ensemble complet de fonctionnalités, vous pouvez créer un système industriel robuste et professionnel.