基于CompactRIO开发批量自动化生产测试

简介

一家一级气门机构组件供应商需要一个可靠的系统来执行生产线终端功能和性能测试，以验证复杂的动力总成组件装配和加工是否得当。可靠性和最大总吞吐量是满足产量要求的关键。Signal.X使用CompactRIO构建了一个系统，使得可编程自动化控制器(PAC)能够执行过去需要多个不同控制器或PLC才能实现的诸多功能。

两个独立的CompactRIO系统在单个测试单元内运行一个测试台。Windows PC用于配置和显示来自每个CompactRIO系统的数据，但这并不是测试操作所必需的。在采集数据时，数据会从CompactRIO传输到PC，然后从PC传输到运行Signal.X DataManager软件的服务器上，进行最终存储、存档和数据库操作。 

运动控制

我们开发了一个多轴、多速率运动控制子系统，通过可配置的比例积分微分(PID)参数、限制和互锁来管理四个控制轴。该系统具有8 ms的实时更新速率，同时在CompactRIO现场可编程门阵列(FPGA)上采用样条插值，时间介于125 µs和8 ms之间，具体取决于控制轴。

数据采集和处理

尽管测试周期很短（约25秒），但根据这些数据可以计算出大约30到40个指标，因此数据必须可供即时处理之用。我们采用并发文件读写来处理数据，从而更大限度地提高效率，同时在进行测试时持续提供数据。

由于系统的数据处理与实际测试并行进行，因此客户可以对系统进行配置，使系统在指标不达标时提前中止测试，从而提高整体吞吐量并更大限度地减少测试故障元件所浪费的时间。我们开发了一个自定义的限制定义编辑器来定义此处理，包括筛选、触发和修订控制，以实现可追溯性。

分立元件处理

我们开发了一种使用CompactRIO控制器作为PAC的传统分立控制架构。该系统的核心是一个有限状态机，用于仿真用户可配置、自然灵活且高效的逻辑梯形图程序。该状态机主要用于气动滑轨的安装、PLC/机器人交互以及故障和错误处理。我们还开发了一个简单的编辑器，以便用户可以编辑滑轨运动控制、PLC元件传输、互锁和安全序列。

该程序的功能包括分支、循环、内部存储器存储、跳转和状态强制。针对不同的操作模式，我们编写了不同的逻辑，例如上电、手动和自动等，但所有模式都会执行故障、错误逻辑和恢复。这意味着PLC开发人员所熟悉的那些传统且经过验证的控制概念已在有限状态机中实现。这种方法保留了传统梯形逻辑的所有功能和简易性，并增强了对复杂浮点计算、字母数字运算、屏幕显示和GUI交互的支持。

通信

我们使用源自NI实验室的EtherNet/IP Driver for Industrial Communication直接与Allen-Bradley ControlLogix PLC进行通信。同时使用Simple Messaging Reference Library协议在CompactRIO和PC之间进行通信，以实现实时数据流和命令。此外，我们还提供了一种简单、可靠的外部设备连接方式来简化通信。

数据管理

在每个CompactRIO系统上采集的大量数据给开发带来了挑战，需要进行规划才能确保可靠性和长期稳定性。每个测试大约存储12个数据通道，存储时长为25秒，从而产生大约1.5 MB的技术数据管理流(TDMS)文件。在最高生产效率下，每个CompactRIO系统每天生成大约2 GB的数据。由于数据量如此之大，CompactRIO需要连接一个外部USB硬盘驱动器来存储数据。一经连接，数据会自动上传到PC，但CompactRIO驱动器具有本地缓冲区，以防PC或网络出现故障。同样地，连接服务器后，数据会自动从PC传输到DataManager。如果服务器断开连接，PC会维护其数据缓冲区，以便快速访问和存储数据。

NI合作伙伴Signal.X DataManager

该项目使用Signal.X提供的现成即用产品来存储、查询和归档测试台数据并生成报表。基于标准查询语言数据库，DataManager会驻留在服务器上，该服务器按预定时间表扫描所有已配置好的测试台，检索和归档数据文件，并将测试结果插入数据库中。用户可以查询数据库以返回生产数据子集，根据这些查询创建报表，并实现这些报表的自动化，使其自动生成并发出趋势警报。此外，用户可以根据新限制，在服务器上运行历史数据，以评估新指标和“假设”场景。

完善的系统

CompactRIO系统构成了一个完整、可靠、快速且可重配置的自动化测试系统控制器。短周期时间和高效的数据使用可更大限度地提高整体生产吞吐量，最终节省成本并优化流程。通过采用完善的数据管理解决方案，Signal.X能够将保修退货流程隔离出来，并能够了解组装缺陷以及改进测试程序和限制，从而对上游流程产生积极影响。

NI解决方案的优势

过去，这些流程会分配到不同的控制器和PLC，增加了复杂性和成本。而CompactRIO平台将所有功能整合到一个硬件组件中，通过单个流程即可进行管理。此外，LabVIEW的编程灵活性意味着您可以通过一个源代码集或配置屏幕调整任意流程。

结论

该项目使用了几项关键技术，带来了切实可见的流程改进和效率提升，包括：

• 将Windows PC从关键生产路径中移除，减少了停机时间，并提高了CompactRIO系统中嵌入的实时操作系统的可靠性。
• 由于系统可以一边测试，一边处理数据，因而能够更快速地做出合格/不合格决策，并在不合格时立即拒绝元件，而不需要等到整个测试完成后。
• 通过在出现故障时立即拒绝和重新测试元件，吞吐量平均提高了5%。
• 通过自动化报表生成、批处理和数据归档将所有数据导入DataManager，为工程师和管理人员提供最新的生产流程信息，同时将以前手动完成的任务自动化，消除了工厂的主要压力来源。

用客户的话来说：“我们的制造环境和全天候生产要求卓越的效率和可靠性，同时保持出众质量。Signal.X Technologies为我们生产线终端测试系统提供的架构帮助我们实现了所有这些要求。最终我们提高了吞吐量，减少了停机时间，并提高了整体可靠性。”

作者信息：

Robert Hoffman
Signal.X Technologies, LLC
15800 Centennial Dr., Suite A
Northville, MI 48168
United States
电话：(734) 417-8236
Hoffman@signalxtech.com

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