NI CompactRIO 최첨단 및 외부 솔루션

​Real-Time 자동화 컨트롤 아키텍처에 최적의 CompactRIO 컨트롤러를 선택하려면 계산 밀도, FPGA 패브릭 복잡성, 주변 연결 사이의 단점에 대해 자세히 알아야 합니다. 컨트롤러를 선택할 때, 현재 두 개의 NI 제품군 중에서 선택할 수 있습니다: cRIO-904x 시리즈 및 cRIO-905x 시리즈 컨트롤러. 이러한 컨트롤러는 기존의 PLC 기반 설계 이상의 유연성과 성능을 제공하는 리얼타임 임베디드 컨트롤 시스템의 기본 구성요소입니다. CompactRIO와 PLC와 다른 플랫폼을 비교할 때, CompactRIO는 리얼타임 프로세싱과 FPGA 가속도의 긴밀한 통합, 견고성, 작은 팬이 없는 폼 팩터를 완벽하게 조합합니다. 

​NI CompactRIO 제품군은 NI Linux Real-Time을 통해 타이밍 결정성이 높은 실행 환경을 제공합니다. 이 운영 체제는 표준 커널을 기반으로 구축되었지만 산업 제어의 저지연 요구 사항에 맞게 최적화되어 NI LabVIEW Real-Time 및 광범위한 C/C++ 및 Python 도구 생태계를 모두 지원합니다. 

​cRIO-904x 고성능 컨트롤러

​cRIO-904x CompactRIO 컨트롤러는 상당한 온보드 프로세스 및 HMI (Human-Machine Interface) 기능이 필요한 고급 어플리케이션을 위해 설계되었습니다. 이 구조는 cRIO-905x에 있는 ArtixTM 7과 비교하여 더 높은 로직 셀 수와 더 견고한 디지털 신호 처리(DSP) 슬라이스를 제공하는 Xilinx KintexTM 7 FPGA에 의해 정의됩니다. 이 FPGA를 사용하면 cRIO-904x가 복잡한 컨트롤 알고리즘, 고속 비전 통합 또는 대규모 병렬 데이터 처리에 더 적합합니다. 

​cRIO-904x의 가장 중요한 차별화 요소 중 하나는 연결성입니다. 이는 RS-232 및 RS-485를 지원하는 2개의 통합 시리얼 포트와 DisplayPortTM 대체 모드(DP Alt 모드)가 장착된 USB 3.1 C 타입 포트를 포함합니다. 이 대체 모드를 사용하면 컨트롤러가 외부 모니터를 직접 구동할 수 있어, 별도의 산업용 PC가 필요하지 않고도 프로세서가 로컬 HMI를 제공할 수 있는 “임베디드 UI” 기능이 활성화됩니다.

​최신 cRIO-904x CompactRIO 컨트롤러 보기

​cRIO-905x 최적화된 가치 컨트롤러

​cRIO-905x는 플랫폼에 고유한 견고성 또는 타이밍 결정성을 희생하지 않는 비용 효율적인 대안으로 사용됩니다. 이 컨트롤러는 Xilinx Artix 7 FPGA 기술을 사용하여 온도 모니터링, 저속에서 중속 컨트롤 루프, 분산 데이터 로깅과 같은 표준 산업용 태스크에 균형 잡힌 성능 프로파일을 제공합니다.

​cRIO-905x에는 cRIO-904x의 통합 시리얼 포트, 전체 크기의 SD 카드, 직접적인 DisplayPort 비디오 출력이 없지만, 이동식 저장용 microSD 카드 슬롯이 도입되며, 이는 대량의 데이터를 물리적으로 전송해야 하는 데이터 로깅 어플리케이션에 매우 유용합니다. cRIO-905x는 중앙 집중식 서버 또는 HMI로 이더넷을 통해 통신하는 분산 “헤드리스” 노드에 가장 선호되는 선택이 많습니다.

​최신 cRIO-905x 컨트롤러 보기

FPGA를 CompactRIO 아키텍처에 통합하면 타이밍 결정성이 높은 컨트롤 시스템 및 리얼타임 모션 컨트롤 기능이 가능합니다. 이 기능을 사용하면 CompactRIO가 리얼타임 예측 컨트롤 및 모니터링과 같은 고성능 어플리케이션에 이상적입니다. 예를 들어, Kintex 7 FPGA는 복잡한 리얼타임 모션 컨트롤 및 고속 병렬 처리를 가능하게 하며, FPGA는 C 시리즈 I/O 모듈과 리얼타임 프로세서 간의 통신을 관리하는 프로그램 가능한 백플레인으로 작동합니다.

Kintex 7 vs Artix 7 기능

이 두 개의 FPGA 제품군 중 하나를 선택하면 시스템 비용과 기능이 결정됩니다. Kintex 7은 높은 로직 밀도와 Watt당 성능을 제공하는 중간 범위 FPGA입니다. 로직 셀 수가 클수록 하드웨어에서 보다 복잡한 디지털 신호 처리(DSP) 알고리즘을 구현할 수 있습니다. 예를 들어, cRIO-9049에서 발견된 Kintex 7 325T는 325,000개 이상의 로직 셀과 840개의 DSP 슬라이스를 포함하며, 이는 CPU를 압도할 수 있는 고급 필터, 빠른 푸리에 변환(FFT) 및 다축 모션 컨트롤 프로파일의 구현을 가능하게 합니다.

반대로, Artix 7은 낮은 전력 소비량과 낮은 가용 공간에 최적화되어 cRIO-905x에 이상적입니다. “값” 옵션이지만, Artix 7 100T FPGA에는 PWM 생성, 구적 엔코더 디코딩, 사용자 정의 디지털 트리거링 등의 대부분의 표준 산업 제어 태스크에 충분한 리소스가 있습니다. cRIO-904x는 일반적으로 더 엄격한 타이밍 제약을 충족하며, 이는 Kintex 패브릭의 우수한 라우팅 및 클럭 아키텍처의 2차 효과입니다.

​cRIO-904x 및 905x 컨트롤러의 가장 혁신적인 기능 중 하나는 Real-Time NI-DAQmx, LabVIEW FPGA 및 Real-Time Scan 모드 사이에서 슬롯별로 프로그래밍 모드를 선택할 수 있다는 것입니다. 이 “하이브리드 모드” 기능을 사용하면 개발자가 단일 섀시에서 하이 레벨 드라이버 사용 편의성을 하위 레벨 하드웨어 사용자 정의와 결합할 수 있습니다.

Real-Time NI-DAQmx 프로그래밍 모드

NI-DAQmx를 최신 CompactRIO 플랫폼에 도입하여 개발자 생산성에 긍정적인 변화가 발생했습니다. CompactRIO는 대부분의 태스크에서 보다 고급 프로그래밍 기술을 필요로 했습니다. NI-DAQmx 모드에서, C 시리즈 모듈은 CompactRIO 시스템의 일부로 사용되는 경우에도 CompactDAQ 섀시 안에 있는 것처럼 작동합니다. 모든 NI DAQ 제품의 표준 드라이버인 NI-DAQmx 드라이버는 태스크 설정, 타이밍, 트리거링의 신속한 개발을 위해 엔지니어들에게 친숙한 인터페이스를 제공합니다. 이 모드를 사용하면 기존의 CompactRIO 프로그래밍 방식에 비해 개발 시간을 크게 단축할 수 있습니다.

이 모드는 cRIO-904x 컨트롤러에서는 최대 5 kHz, cRIO-905x 컨트롤러에서는 2.5 kHz의 컨트롤 속도에서 권장됩니다. 이는 하드웨어 타이밍에 의한 단일 포인트 수집을 지원하며, 이는 버퍼 관리의 오버헤드 없이 최신 샘플을 최소한의 지연으로 처리해야 하는 컨트롤 루프에서 매우 중요합니다. 이 모드에서, 모듈은 LabVIEW 프로젝트 탐색기의 프로그램 모드 > 리얼타임 리소스 항목 아래에 나타납니다.

그림 1: NI Measurement & Automation Explorer (MAX)를 사용하면 개별 모듈을 세 가지 프로그래밍 모드 중 하나로 구성할 수 있습니다.

LabVIEW FPGA 프로그래밍 모드

고성능, 사용자 정의 타이밍 또는 sub-microsecond 동기화가 필요한 어플리케이션의 경우, LabVIEW FPGA 프로그래밍 모드(LabVIEW FPGA Module 사용)가 주요 선택입니다. 이 모드를 사용하면 FPGA 패브릭에 직접 접근할 수 있습니다. LabVIEW FPGA VI를 생성한 다음 하드웨어 비트 파일로 컴파일하고 컨트롤러에 배포합니다.

5 kHz를 초과하는 모든 제어 속도 또는 고주파 PWM 또는 맞춤형 통신 프로토콜과 같은 제로 지터로 실행해야 하는 작업에 LabVIEW FPGA 프로그래밍이 필요합니다. 이 모드를 사용하려면, 개발 호스트에 LabVIEW FPGA Module 설치해야 합니다.

Real-Time Scan 모드 (I/O 변수)

RIO Scan Interface 또는 Scan Mode는 느린 속도 컨트롤 및 모니터링 시스템(일반적으로 <1 kHz)의 신속한 개발을 위해 설계되었습니다. LabVIEW 모든 모듈을 사용자 정의된 속도로 스캔하고 데이터를 I/O 변수로 나타내는 고정된 비트 파일로 FPGA를 자동으로 프로그래밍합니다. 대부분의 최신 시스템에서 권장하는 방법은 Real-Time NI-DAQmx 모드이지만, I/O 모듈이 자주 교체되는 시스템에서 스캔 모드는 모듈 타입의 동적 감지를 지원하기 때문에 유용합니다. 

스캔 모드 사용 방법 알아보기.

표 1: cRIO-904x와 cRIO-905x의 프로그래밍 모드 비교.

CompactRIO 플랫폼의 다양한 기능은 다양한 신호 타입, 환경 조건, 고속 및 정밀 측정 시스템과 같은 어플리케이션을 위해 설계된 100개 이상의 모듈을 사용하는 다양한 어플리케이션에서 확장 가능한 다채널 데이터 수집(DAQ)을 가능하게 하는 C 시리즈 모듈의 생태계에서 유도됩니다.

아날로그 입력 구조(AI)

올바른 아날로그 입력 모듈을 선택하려면 필요한 분해능(비트), 샘플 속도, 절연을 평가해야 합니다. NI는 C 시리즈 AI 모듈에 다음 세 가지 주요 구조를 사용합니다.

1. 연속 근사 레지스터(SAR)를 기반으로 하는 아키텍처―NI-9201 및 NI-9205와 같은 이 모듈은 범용이며 멀티플렉스 입력을 자주 제공합니다. 압력 또는 흐름과 같은 중속 측정에 적합합니다.
2. 델타-시그마 기반 아키텍처―NI-9234, NI-9232, NI-9250과 같은 고해상도 모듈에서 사용되는 이 아키텍처는 우수한 앨리어스 제거 기능을 제공하며 사운드, 진동 및 정밀 변형률 측정에 대한 표준입니다.
3. 동시 샘플링을 기반으로 하는 아키텍처―NI-9223과 같은 이 모듈은 채널당 전용 ADC를 제공하므로 측정 사이의 위상 지연이 발생하지 않습니다. 이는 전력 품질 또는 고속 구조 분석에 매우 중요합니다.

온도 및 특수 센서 모듈

온도 측정은 모니터링 시스템의 핵심입니다. NI는 NI-9213과 같은 열전쌍을 위한 모듈과 NI-9216과 같은 저항 온도 센서(RTD)를 제공합니다. 이 모듈에는 온도 센서의 특징인 밀리볼트 레벨 신호를 처리하는 CJC (Integrated Cold-Junction Compensation) 및 높은 분해능 ADC가 포함됩니다. 

구조적 상태 또는 재질 테스트의 경우, NI-9237과 같은 스트레인/브리지 모듈은 쿼터, 반, 완전 브리지 센서에 대한 통합 브리지 완성을 제공하며 프로그램 가능한 구동 전압을 제공합니다.

디지털 I/O 및 산업 제어

디지털 모듈(NI-94xx)은 일반적으로 5 V TTL 또는 24 V 산업 로직의 산업 로직 레벨과 상호작용합니다. NI-9401은 널리 사용되는 고속 양방향 디지털 모듈이고, NI-9477은 최대 60 V로 산업용 솔레노이드와 릴레이를 구동하도록 설계된 32 채널 싱킹 디지털 출력 모듈입니다.

표준 I/O 외에, CompactRIO는 리얼타임 모니터링 및 컨트롤을 위해 EtherCAT (마스터), 802.1AS 또는 TSN (Time-Sensitive Networking), CAN, CANopen, Modbus 등 다양한 산업 통신 프로토콜을 지원합니다. NI-9862는 자동차 또는 항공우주 테스트에 필수적인 NI-XNET 드라이버 지원이 있는 단일 포트 CAN 인터페이스를 제공합니다. 레거시 시리얼 디바이스의 경우, NI-9870은 시스템에 4개의 RS-232 포트를 추가합니다. 이러한 옵션을 사용하면 CompactRIO가 산업용 기계, 리얼타임 프로세스 컨트롤, 분산 산업 시스템의 산업용 모니터링 및 컨트롤 및 원격 모니터링 및 컨트롤에 이상적입니다.

시스템 확장

8 슬롯 컨트롤러는 상당한 I/O 밀도를 제공하지만, 많은 어플리케이션은 8 슬롯 섀시 이상으로 확장하여 추가 슬롯을 필요로 합니다. cRIO-904x 및 cRIO-905x는 다음과 같은 다양한 확장 방법을 지원합니다.

1. cDAQ-9185/9189 섀시: NI-DAQmx를 사용하는 cDAQ-9185/9189 섀시에서 cRIO-904x/905x의 시간에 민감한 네트워킹 (TSN) 기능을 사용하면 고속 동기화를 유지하면서 I/O를 확장할 수 있습니다.
2. NI-9145 EtherCAT CompactRIO 섀시: cRIO 컨트롤러를 NI-9145 8 슬롯 EtherCAT 슬레이브 섀시에 연결하면 모션 컨트롤 및 분산 리얼타임 태스크에 적합한 타이밍 결정성이 높은 산업 프로토콜을 제공합니다. EtherCAT RIO는 데이지 체인 토폴로지를 사용하며 최대 65,535개의 슬레이브를 지원합니다.
3. NI-9149 이더넷 CompactRIO 섀시: NI-9149 이더넷 CompactRIO 섀시는 하드 타이밍 결정성이 적지만 표준 네트워크 유연성이 필요한 분산 모니터링에 가장 적합합니다.

산업 환경에서는 접지 루프와 전자파 간섭(EMI) 때문에 신호 무결성이 저하되는 경우가 많습니다. CompactRIO 모듈은 다양한 절연 방식을 통해 이러한 문제를 해결합니다.

• 채널 대 접지 절연—시스템을 고전압 과전압으로부터 보호하고 컨트롤러가 접지 포텐셜 차이로 인해 손상되지 않도록 합니다.
• 채널 대 채널 절연―각 채널은 다른 채널로부터 전자적으로 절연되어 최상의 노이즈 방지 및 안전성을 제공합니다.
• 뱅크 절연―채널 그룹이 공통 절연 접지를 공유하며, 비용과 보호 사이의 중간 접지를 제공합니다. 

CompactRIO 모듈은 어려운 환경에서 견고한 DAQ 하드웨어로 작동하면서도 고속 DAQ 성능을 제공합니다. 플랫폼의 견고한 성능은 환경적 등급에 의해 더욱 보여집니다. 대부분의 모듈과 컨트롤러는 작동 온도 범위가 -40 °C ~ 70 °C이며 50 g의 충격과 5 g의 진동을 견딜 수 있습니다. 매우 어려운 환경의 경우, 습기 및 오염 물질을 방지하기 위해 여러 모델에서 사용할 수 있는 옵션입니다. CompactRIO는 견고한 환경에서 산업용 데이터 수집에 이상적인 솔루션입니다.

적절한 물리적 인프라에 따라 CompactRIO를 성공적으로 배포할 수 있습니다. CompactRIO는 내구성과 열 설계가 매우 중요하도록 어려운 DAQ 어플리케이션에서 모바일 데이터 수집을 가능하게 합니다. 적절한 통합을 사용하면 산업 시스템에서 CompactRIO 섀시가 안정적으로 작동할 수 있습니다. 이 환경에는 적절한 전원 공급 장치 선택, 하드웨어 장착, 열 관리가 포함됩니다.

전원 시스템 선택

cRIO-904x 및 cRIO-905x에는 9 V ~ 30 V DC 전원 소스가 필요합니다. 산업용 설치의 경우, NI PS-25 (24 VDC, 5 A)와 같은 DIN 레일 장착된 공급 장치는 표준 선택입니다. cRIO-904x 시리즈 컨트롤러의 예비 전원 입력을 사용하면 두 개의 개별 전원 공급 장치를 연결할 수 있어 단일 전원 공급 장애로 인해 시스템이 중단되지 않도록 합니다. 이는 임무에 결정적인 모니터링에서 중요한 기능입니다.

표 2: CompactRIO 시스템을 위한 중요한 전원 액세서리.

장착 및 열 설계

CompactRIO는 열 싱크 역할을 하는 금속 표면에 장착되도록 설계되었습니다. NI는 지정된 최대 작동 온도를 얻기 위해 특정한 “참조 장착 설정” (수평 방향)을 권장합니다.

• 패널 장착―진동이 높은 환경에서 섀시를 금속 패널에 직접 고정하는 것이 가장 좋습니다.
• DIN 레일 장착―NI-990x 키트를 사용하면 섀시가 표준 35 mm DIN 레일에 고정될 수 있습니다.
• 랙 장착 -19인치 랙 장착 케이스 또는 NI 랙 키트는 서버 스타일의 캐비닛에 통합하는데 사용됩니다.

위험한 위치 안전

석유 및 가스, 화학 또는 제약 공장에 배포할 경우, cRIO-904x 및 cRIO-905x는 Class I, Division 2 및 ATEX Zone 2 위험 환경에 대해 인증됩니다. 이러한 인증은 하드웨어가 정상적인 작동 조건에서 점화 소스를 제공하지 않는다는 것을 나타냅니다. 그러나 설치 프로그램은 IP54 등급의 케이스를 사용하고 시스템의 전원이 켜져 있는 동안 모듈을 분리하지 않도록 하는 등 특정한 "Ex ec"(보안 강화) 지침을 준수해야 합니다.

CompactRIO 시스템을 관리하려면 소프트웨어 버전 설정에 주의를 기울여야 합니다. CompactRIO 컨트롤러를 최대한 사용하려면 LabVIEW, LabVIEW Real-Time Module 및 LabVIEW FPGA Module 필요합니다. 또한 특정한 제한이 있는 Python 및 C/C++를 사용하여 컨트롤러를 프로그래밍할 수 있습니다. FPGA용 사용자 정의 비트 파일을 생성하려면 LabVIEW FPGA Module 필요합니다. 또한 엔지니어는 리얼타임 컨트롤 시스템 테스트에 NI VeriStand 같은 널리 사용되는 HIL 도구를 자주 사용합니다.

NI 하드웨어 설정 유틸리티

NI 하드웨어 설정 유틸리티는 시스템 검색 및 설정에 필요한 주요 도구입니다. 새 컨트롤러가 USB 또는 이더넷을 통해 연결되면, NI 하드웨어 설정 유틸리티를 사용하여 NI Linux Real-Time OS를 설치하고, 내부 드라이브를 포맷하고, 이를 사용하는데 필요한 모든 드라이버와 소프트웨어를 설치합니다. 또한 이 유틸리티는 한 줄의 코드를 작성하기 전에 컨트롤러와 모듈이 올바르게 통신하는지 확인하는 테스트 패널을 제공합니다.

기업은 CompactRIO 시스템을 배포할 때 산업 제어 시스템의 사이버 보안과 우선적인 컴퓨팅 보안 문제를 해결해야 하기 때문에 보안이 매우 중요해지고 있습니다. NI는 산업용 컨트롤 시스템 보안 기준 및 SCADA 사이버 보안 사례에 부합하는 지침을 제공합니다. 

CompactRIO에 영향을 미치는 관련 보안 문제에 대한 최신 정보 를 참조하십시오.

컨트롤 및 모니터링 어플리케이션에 CompactRIO를 사용하면 컨트롤 시스템의 수명과 기능에 전략적으로 투자할 수 있습니다. NI-DAQmx 드라이버를 활용하면 전통적으로 FPGA 기반 시스템과 관련된 개발 시간을 크게 줄일 수 있으며, TSN과 같은 기술을 포함하면 시스템이 분산 네트워크 동기화 측정의 미래를 위해 준비되도록 할 수 있습니다.

CompactRIO 플랫폼의 기능과 성능은 업계 혁신을 위한 탁월한 기반을 제공합니다. 어플리케이션이 수술용 로봇이거나 지리적으로 분산된 구조적 모니터링 네트워크인 경우, CompactRIO는 사용자 프로그래밍 가능한 FPGA와 거의 무한한 유연성을 갖춘 PLC의 견고함을 제공합니다.

• CompactRIO 시스템 직접 구축하기
• CompactRIO 개발자를 위한 NI LabVIEW 가이드
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