NI CompactRIOによるエッジ以降の究極のソリューション

​リアルタイムオートメーション制御アーキテクチャに最適なCompactRIOコントローラを選択するには、計算密度、FPGAファブリックの複雑度、および周辺機器の接続性の間のトレードオフを微妙に理解する必要があります。コントローラの選択には、現在cRIO-904xシリーズとcRIO-905xシリーズの2つのNIシリーズがあります。これらのコントローラは、リアルタイム組込制御システムの基盤を形成し、従来のPLCベースの設計を超える柔軟性とパフォーマンスを提供します。CompactRIOのアーキテクチャをPLCおよびその他のプラットフォームと比較した場合、CompactRIOはリアルタイム処理とFPGAアクセラレーションの緊密な統合、堅牢性、小型でファンレスなフォームファクタという理想的な組み合わせを提供します。 

​どちらのNI CompactRIOシリーズも、NI Linux Real-Timeによる確定的実行環境を提供します。このオペレーティングシステムは、標準のカーネル上に構築されていますが、工業制御の低レイテンシ要件向けに最適化されており、NI LabVIEW Real-TimeとC/C++およびPythonツールの広範なエコシステムの両方をサポートしています。 

​cRIO-904x高性能コントローラ

​cRIO-904x CompactRIOコントローラは、高度なオンボード処理と統合されたヒューマンマシンインタフェース（HMI）機能を必要とするハイエンドアプリケーション向けに設計されています。アーキテクチャはXilinx Kintex™ 7 FPGAによって定義されており、cRIO-905xに搭載されているArtix™ 7と比較して、より多くの論理セルとより堅牢なデジタル信号処理（DSP）スライスを提供します。このFPGAにより、cRIO-904xは複雑な制御アルゴリズム、高速ビジョン統合、または大規模な並列処理を含むアプリケーションに適しています。 

​cRIO-904xの最も重要な差別化要因の1つは、その接続性です。2つの統合シリアルポート（RS-232およびRS-485をサポート）とDisplayPort™ Alternate Mode（DP Alt Mode）を備えたUSB 3.1 Type-Cポートを装備しています。この代替モードでは、コントローラが外部モニタを直接駆動できるため、別の工業用PCを使用せずにプロセッサでローカルHMIをレンダリングできる「組込UI」機能を使用できます。

​最新のcRIO-904x CompactRIOコントローラを表示します。

​cRIO-905x 最適化値コントローラ

​cRIO-905xは、プラットフォーム固有の堅牢性や確定性を犠牲にすることなく、コスト効率に優れた代替製品です。Xilinx Artix 7 FPGAテクノロジーを使用することで、これらのコントローラは、温度監視、低速から中速の制御ループ、分散データロギングなどの標準的な工業タスクに対してバランスのとれたパフォーマンスプロファイルを提供します。

​cRIO-905xには、内蔵シリアルポート、フルサイズSDカード、およびcRIO-904xのダイレクトDisplayPortビデオ出力はありませんが、大容量データを物理的に転送する必要があるデータロギングアプリケーションにとって非常に便利な、取り外し可能なストレージ用のmicroSDカードスロットがあります。cRIO-905xは、イーサネットを介して集中型サーバまたはHMIと通信する分散「ヘッドレス」ノードとしてよく使用されます。

​最新のcRIO-905xコントローラを表示します。

FPGAをCompactRIOアーキテクチャに統合することで、確定的制御システムとリアルタイムモーション制御が可能になります。この機能により、CompactRIOはリアルタイム予測制御や監視などの高性能アプリケーションに最適です。たとえば、Kintex 7 FPGAは、CシリーズI/Oモジュールとリアルタイムプロセッサ間の通信を管理するプログラム可能なバックプレーンとして動作する複雑なリアルタイムモーション制御と高速並列処理を可能にします。

Kintex 7とArtix 7の機能

これら2つのFPGAシリーズのうちどれを選択するかが、システムのコストと機能の主な要因です。Kintex 7は、高い論理密度とワット性能を提供するミッドレンジFPGAです。論理セルの数が多いため、より複雑なデジタル信号処理（DSP）アルゴリズムをハードウェアに実装できます。たとえば、cRIO-9049に搭載されているKintex 7 325Tには、325,000個以上の論理セルと840個のDSPスライスが含まれており、高次フィルタ、高速フーリエ変換（FFT）、およびCPUを圧迫する多軸モーション制御プロファイルを実装できます。

逆に、Artix 7は低消費電力と省スペースに最適化されているため、cRIO-905xに最適です。「値」オプションにもかかわらず、Artix 7 100T FPGAはPWM生成、位相差出力エンコーダデコード、カスタムデジタルトリガなど、ほとんどの標準的な工業用制御タスクに十分なリソースを備えています。cRIO-904xは通常、より厳しいタイミング制約を満たしますが、これはKintexファブリックの優れた経路設定およびクロックアーキテクチャの2次効果です。

​cRIO-904xおよび905xコントローラの最も革新的な機能の1つは、Real-Time NI-DAQmx、LabVIEW FPGA、およびReal-Timeスキャンモードのプログラミングモードをスロットごとに選択できることです。この「ハイブリッドモード」機能により、開発者は、高レベルのドライバの使いやすさと低レベルのハードウェアカスタマイズを1つのシャーシで組み合わせることができます。

リアルタイムNI-DAQmxプログラミングモード

NI-DAQmxを最新のCompactRIOプラットフォームに導入したことで、開発者の生産性が飛躍的に向上しました。従来、CompactRIOでは、ほとんどのタスクでより高度なプログラミング技術が必要でした。NI-DAQmxモードでは、CシリーズモジュールはCompactRIOシステムの一部として使用されている場合でも、CompactDAQシャーシ内にあるかのように動作します。すべてのNI DAQ製品の標準ドライバであるNI-DAQmxドライバは、タスク構成、タイミング、トリガを迅速に開発するための使い慣れたインタフェースを提供します。このモードは、従来のCompactRIOプログラミングアプローチと比較して開発時間を大幅に短縮します。

このモードは、cRIO-904xコントローラで最大5 kHz、cRIO-905xコントローラで最大2.5 kHzの制御レートに推奨されます。ハードウェアタイミングによるシングルポイント集録をサポートします。これは、バッファ管理のオーバーヘッドなしで最小限のレイテンシで最新のサンプルを処理する必要がある制御ループにとって重要です。このモードでは、モジュールはLabVIEWプロジェクトエクスプローラのプログラムモード→Real-Timeリソース項目の下に表示されます。

図1:NI Measurement & Automation Explorer(MAX)を使用すると、各モジュールを3つの異なるプログラミングモードのいずれかに構成できます。

LabVIEW FPGAプログラミングモード

より高いパフォーマンス、カスタムタイミング、またはサブマイクロ秒同期を必要とするアプリケーションでは、LabVIEW FPGAプログラミングモード（LabVIEW FPGAモジュールを使用）が主に選択されます。このモードでは、FPGAファブリックに直接アクセスできます。LabVIEW FPGA VIを作成し、ハードウェアビットファイルにコンパイルしてコントローラにデプロイします。

LabVIEW FPGAプログラミングは、5 kHzを超える制御レート、または高周波PWMやカスタム通信プロトコルなどのジッタなしで実行する必要があるタスクに必要です。このモードを使用するには、LabVIEW FPGAモジュールを開発ホストにインストールする必要があります。

Real-Timeスキャンモード (I/O変数)

RIOスキャンインタフェース (スキャンモード) は、低速の制御および監視システム (通常1 kHz未満) の迅速な開発用に設計されています。LabVIEWは、すべてのモジュールをユーザ定義レートでスキャンし、データをI/O変数として表示する固定ビットファイルでFPGAを自動的にプログラムします。最近のシステムでは、Real-Time NI-DAQmxモードが推奨されていますが、スキャンモードはモジュールタイプの動的検出をサポートしているため、I/Oモジュールが頻繁にスワップされるシステムに適しています。 

スキャンモードの使用方法を学習します。

表1:cRIO-904xとcRIO-905xのプログラミングモードの比較。

CompactRIOプラットフォームの汎用性は、Cシリーズモジュールのエコシステムに由来しており、さまざまな信号タイプ、環境条件、および高速/高精度測定システムなどのアプリケーション用に設計された100以上の異なるモジュールを使用する幅広いアプリケーションで、スケーラブルな複数チャンネルデータ収集（DAQ）を可能にします。

アナログ入力 (AI) アーキテクチャ

適切なアナログ入力モジュールを選択するには、必要な分解能（ビット）、サンプリングレート、絶縁を評価します。NIでは、CシリーズAIモジュールに以下の3つの主要アーキテクチャを採用しています。

1. 逐次近似レジスタ（SAR）に基づくアーキテクチャ―NI-9201やNI-9205などのこれらのモジュールは汎用で、多くの場合、マルチプレクス入力を装備しています。圧力や流量などの中速測定に適しています。
2. デルタシグマに基づくアーキテクチャ―高分解能モジュール (NI-9234、NI-9232、NI-9250など) で使用されるこのアーキテクチャは、優れたアンチエイリアスを提供し、音響、振動、および高精度歪み測定の標準です。
3. 同時サンプリングに基づくアーキテクチャ―NI-9223などのこれらのモジュールは、チャンネルごとに専用のADCを装備しているため、電力品質や高速構造解析で重要な測定間の位相遅延がありません。

温度および特殊センサモジュール

温度測定は、監視システムの基盤です。NIでは、NI-9213などの熱電対専用のモジュール、およびNI-9216などの測温抵抗体（RTD）を提供しています。これらのモジュールには、温度センサの特性であるミリボルトレベルの信号を処理するための統合型冷接点補償 (CJC) および高分解能ADCが含まれています。 

NI-9237のような歪み/ブリッジモジュールは、構造ヘルスまたは材料テストにおいて、クォータ、ハーフ、およびフルブリッジセンサ用のブリッジ構成とプログラム可能な励起電圧を提供します。

デジタルI/Oおよび工業制御

デジタルモジュール（NI-94xx）は、工業論理レベル（通常5 V TTLまたは24 V工業論理）とインタフェースします。NI-9401は一般的な高速双方向デジタルモジュールで、NI-9477は工業用ソレノイドおよびリレーを最大60 Vで駆動するように設計された32チャンネルシンクデジタル出力モジュールです。

CompactRIOは、標準I/Oに加えて、EtherCAT（マスタ）、802.1ASまたはTSN（Time-Sensitive Networking）、CAN、CANopen、Modbusなどのさまざまな工業用通信プロトコルをサポートし、リアルタイムの監視と制御を実現します。NI-9862は、NI-XNETドライバをサポートするシングルポートCANインタフェースを提供します。これは、自動車または航空宇宙のテストに不可欠です。レガシーシリアルデバイスでは、NI-9870はシステムに4つのRS-232ポートを追加します。これらのオプションにより、CompactRIOは工業機械、リアルタイムプロセス制御、分散型工業システムなどの工業監視および制御に最適です。

システム拡張

8スロットコントローラは非常に高いI/O密度を提供しますが、多くのアプリケーションでは8スロットシャーシを超える拡張により追加のスロットが必要になります。cRIO-904xおよびcRIO-905xは、いくつかの拡張方法をサポートしています。

1. cDAQ-9185/9189シャーシ:NI-DAQmxを採用したcDAQ-9185/9189シャーシでcRIO-904x/905xのTSN（Time-Sensitive Networking）機能を使用することは、高速同期を維持しながらI/Oを拡張する方法の1つです。
2. NI-9145 EtherCAT CompactRIOシャーシ:cRIOコントローラをNI-9145 8スロットEtherCATスレーブシャーシに接続すると、モーション制御および分散リアルタイムタスクに最適な確定的工業用プロトコルが提供されます。EtherCAT RIOはデイジーチェーントポロジを使用し、最大65,535のスレーブをサポートします。
3. NI-9149イーサネットCompactRIOシャーシ:NI-9149イーサネットCompactRIOシャーシは、ハード確定性はそれほど重要ではありませんが、標準のネットワークの柔軟性が求められる分散監視に最適です。

工業分野では、グランドループや電磁妨害（EMI）によって信号の整合性が損なわれることが多くあります。CompactRIOモジュールは、さまざまな絶縁方法でこれに対応します。

• チャンネル/アース間絶縁―高電圧サージからシステムを保護し、グランド電位差によるコントローラの破損を防ぎます。
• チャンネル間絶縁―各チャンネルは電子的に絶縁されており、最高レベルの耐ノイズ性と安全性を提供します。
• バンク絶縁―チャンネルグループは共通の絶縁グランドを共有しており、コストと保護の中間的な役割を果たします。 

CompactRIOモジュールは、過酷な環境でも堅牢なDAQハードウェアとして機能しながら、高速DAQのパフォーマンスを提供します。プラットフォームの堅牢性は、環境定格によってさらに実証されています。ほとんどのモジュールおよびコントローラの動作温度範囲は-40～70℃で、50 gの衝撃および5 gの振動に耐えることができます。非常に過酷な環境下では、多くのモデルで湿気や汚染物質から保護するコンフォーマルコーティングが利用可能です。この強化された堅牢性と信頼性により、CompactRIOは過酷な環境での工業用データ収集に最適なソリューションです。

CompactRIOの導入を成功させるには、適切な物理インフラストラクチャが必要です。CompactRIOは、耐久性と熱設計が重要な過酷な環境DAQアプリケーションでのモバイルデータ収集を可能にします。適切に統合することで、CompactRIOシャーシを工業システムで確実に動作させることができます。この環境には、適切な電源の選択、ハードウェアの取り付け、および温度管理が含まれます。

電源システムの選択

cRIO-904xおよびcRIO-905xには、9 V～30 V DC電源が必要です。工業設備では、NI PS-25（24 VDC、5 A）などのDINレールマウント電源が標準として選択されています。cRIO-904xシリーズコントローラの冗長電源入力は、2つの別々の電源を接続することができ、1つの電源障害によってシステムがシャットダウンすることを防ぎます。これはミッションクリティカルな監視において重要な機能です。

表2:CompactRIOシステム用の基本的な電源アクセサリです。

取り付けと熱設計

CompactRIOは、ヒートシンクとして機能する金属面に取り付けられるように設計されています。NIでは、特定の「基準取り付け構成」（水平方向）を使用して、指定された最大動作温度を実現することを推奨します。

• パネルマウント―シャーシを金属製パネルに直接ボルトで固定する方法は、高振動環境に最適です。
• DINレールマウント―NI-990xキットを使用すると、シャーシを標準の35 mm DINレールにカチッと取り付けることができます。
• ラックマウント―19インチラックマウントエンクロージャまたはNIラックキットを使用して、サーバ型キャビネットに統合します。

危険設置箇所の安全

cRIO-904xおよびcRIO-905xは、石油/ガスプラント、化学プラント、または製薬プラントでの使用向けに、Class I、Division 2、およびATEX Zone 2危険設置箇所で認証されています。これらの保証は、ハードウェアが通常の動作状態では点火源を提供しないことを示します。ただし、設置者は、IP54定格の筐体を使用したり、設置箇所が危険でないことがわかっている場合を除き、システムに電源が投入されている間はモジュールを取り外さないようにするなど、特定の「Ex ec」（安全性の向上）ガイドラインに従う必要があります。

CompactRIOシステムの保守には、ソフトウェアのバージョン管理に細心の注意が必要です。CompactRIOコントローラを完全に使用するには、LabVIEW、LabVIEW Real‐Timeモジュール、およびLabVIEW FPGAモジュールが必要です。PythonおよびC/C++を使用してコントローラをプログラムすることもできますが、制限があります。FPGA用のカスタムビットファイルを作成するには、LabVIEW FPGAモジュールが必要です。エンジニアは、NI VeriStandなどの一般的なHILツールをリアルタイム制御システムのテストによく使用します。

NI ハードウェア構成ユーティリティ

NI ハードウェア構成ユーティリティは、システムの検出と構成を行うための主要ツールです。新しいコントローラがUSBまたはイーサネットで接続されている場合は、NIハードウェア構成ユーティリティを使用してNI Linux Real-Time OSをインストールし、内部ドライブをフォーマットし、その使用に必要なすべてのドライバとソフトウェアをインストールします。また、このユーティリティは、1行のコードが書き込まれる前にコントローラとモジュールが正しく通信していることを確認するテストパネルも提供します。

CompactRIOシステムをデプロイする際に、産業制御システムのサイバーセキュリティとエッジコンピューティングのセキュリティに対応する必要があるため、セキュリティは非常に重要です。SGSは、工業制御システムのセキュリティ基準およびSCADAサイバーセキュリティ慣行に沿ったガイダンスを提供します。 

CompactRIOに影響する関連するセキュリティ問題の最新情報を参照してください。

CompactRIOを制御および監視アプリケーションに使用することは、制御システムの寿命と機能に対する戦略的な投資を意味します。NI-DAQmxドライバを活用することで、従来のFPGAベースシステムに関連する開発時間を大幅に短縮できるだけでなく、TSNなどのテクノロジーも搭載されているため、将来の分散ネットワーク同期測定にも対応できます。

CompactRIOプラットフォームの機能と性能は、産業革新のための比類のない基盤を提供します。CompactRIOは、手術用ロボットや地理的に分散した構造監視ネットワークなど、PLCの堅牢性とユーザによるプログラミングが可能なFPGAのほぼ無限の柔軟性を提供します。

• 独自のCompactRIOシステムを構築
• NI CompactRIO開発ガイド
• Cシリーズモジュールのカタログを確認する