在工业应用中使用NI数字I/O高可靠性功能组合

隔离是指从物理和电气上分隔电路的两个部分，并提供多种优势。它断开了接地回路，改善了共模电压和噪声抑制，并允许电路的两个部分处于不同的电压电平。隔离还可以保护计算机电路。工业应用通常需要隔离，以保护电子设备免受瞬时电压峰值的影响，并在包含机械和感性负载的电气噪声环境中提供更高的共模噪声抑制。对于通道间隔离I/O，每个通道都有自己的接地端子。在组隔离设备中，每个组（或组）由共享同一接地但与其他组隔离的若干通道组成。

化学颜料混合器

化学颜料混合是将无机化学品混合用于颜料和染料的过程。化学流量泵和液压控制阀调节所用两种化学品的流速。泵和阀门均具有各自的接地参考，且泵连接至具有相同接地参考的紧急停止开关。此外，两个接地参考相差5 V。

在没有隔离的情况下（见图1），所有三个设备必须彼此直接连接，从而产生由接地参考电压差引起的接地回路。

图1.非隔离连接

该电流可损坏泵和阀电路。此外，由于设备信号输出的负载增加，可能发生错误读数。使用组隔离数字产品（图2），即使电压差很大，设备仍可使用自己的接地参考进行操作。

图2.组隔离连接

这种工业环境通常电气噪声很大。噪声源包括电源线、电动机和继电器。在这种噪声环境中，隔离可保护I/O设备的数字电路免受超出正常工作范围的电压影响。

当大型自动化系统发生故障时，必须能够回顾故障发生时的系统状态。故障发生前的状态同样重要。

发电厂监控

2003年8月，美国东北部多座城市发生断电，导致数百万人无电可用。在随后的调查中，官员试图确定断电的原因。在这种情况下，能够查看断电前几分钟、几小时甚至几天的系统状态非常有价值。

由于系统可能偶尔发生变化，因此需要随时监控。另一方面，按固定间隔持续测量系统会产生大量数据，其中许多是重复无关的数据。检测更改通过去除重复数据，同时记录重要系统事件，实现两全其美的效果。使用检测更改，仅当在指定输入上检测到上升沿或下降沿时才捕获数据。例如，每当继电器打开或关闭时，将捕获并保存所有继电器的状态，以备后用。

在NI-DAQmx中创建使用检测更改的程序非常简单。NI-DAQmx定时VI新增了多态实例，使检测更改的处理方式与其他缓冲NI-DAQmx输入操作相同（图3）。编程人员可完全控制用于检测更改的线路。上升沿线和下降沿线控件可填充设备上物理存在的输入线的任意组合。下节将讨论与数字输入滤波配合使用时，检测更改的更大作用。

图3.在NI-DAQmx中配置检测更改

如前所述，工业环境可能存在电气噪声。该噪声可导致各种问题，其中之一是不需要的读数。任何数字输入设备都使用一个或两个电压阈值来确定输入是高还是低。当输入电压高于高阈值时，设备读取逻辑高。相反，如果电压低于低阈值，设备将读取逻辑低。如存在噪声，输入电压可能会意外越过阈值，导致错误的高或低读数。在其他情况下，在外观上，信号可能多次改变状态，但实际上只变化了一次。

炼油厂

在炼油厂中，钥匙开关可用于激活原油流入反应室进行精炼。但是，开关往往会出现较大的抖动。类似于球在坚硬表面上的弹跳，当其中一个金属触点被强行压入另一个触点时，它也会产生弹跳。信号的反复切换将导致其控制的泵快速开关，从而加速泵的磨损并最终导致过早故障。此外，如使用带检测更改的NI设备采集该信号，输入缓冲区将无谓地被填满。

如在NI设备上启用输入滤波器，将消除由抖动开关引起的错误读数。它通过忽略宽度过小的脉冲来实现这一点。NI设备可将滤波后的信号输出至泵。通过可编程输入滤波器，用户可通过编程选择保证通过的最小脉冲宽度（图4）。

图4.在NI-DAQmx中配置输入滤波器

任何大于指定最小脉冲的脉冲均可通过，任何小于指定脉冲宽度一半的脉冲均会被滤除。介于脉冲宽度的一半和整个脉冲宽度之间的脉冲可能通过也可能不通过。

计算机上电后，各个组件将开始各自的上电程序，以确保它们达到功能和预期状态。如在计算机中使用数字输出设备控制机械或工业过程，数字输出也必须初始化为已知状态。更改输出通常需要应用程序正在运行，但在应用程序启动之前，设备可能已通电几分钟。重要的是，数字设备本身应能在通电后立即设置其输出。

轧机

在轧机中，加热后的钢被强制通过轧制机械制造不同宽度的钢梁。轧制电机由数字I/O设备的数字输出线控制。计算机开机后，必须关闭轧制电机，以免在启动时浪费钢材。如数字I/O设备无法保证初始输出，在通道输出已知状态之前，计算机必须完全启动并启动控制程序。缺乏控制可能导致昂贵的原材料浪费和设备损坏。无毛刺上电状态可确保设备上电后，所有数字输出均以已知状态开始。因为没有机械意外启动，所以不会浪费钢材。

在新的NI数字产品中，可编程上电状态在设备的EEPROM中实现。EEPROM中的上电状态可通过两种不同的方法以编程方式更改。A) NI-DAQmx设置上电状态VI可在LabVIEW中运行（图5）。VI运行时，设置将被下载至EEPROM。

图5.LabVIEW中的上电状态

B) 也可通过NI Measurement & Automation Explorer (MAX)打开设备的属性页写入这些设置。用户单击确定按钮时将写入所需的设置（图6）。这两种方法都易于实现可编程上电状态。

图6.MAX中的上电状态

控制系统通常需要某种冗余或故障安全机制。如果系统的某些组件发生意外故障，故障安全机制将接管系统并将系统置于已知的安全状态。NI工业数字产品的数字I/O看门狗提供了一种检测系统错误并安全恢复的方法。请注意，NI-DAQmx看门狗功能旨在保护系统免受软件错误和挂起的影响。对于通过MXI远程控制的PXI系统，丢失MXI连接可能导致非预期的看门狗行为，进而导致看门狗状态执行不当。 

糖厂

在糖果厂中进行口香糖切割和包装。刀片将口香糖切成小块，输送机将这些小块送入包装机。刀片和输送机均由数字输出线控制。如果控制应用程序挂起，理想情况下输送机将停止移动，刀片将远离口香糖。否则，机器可能会损坏，口香糖可能会产生非必要浪费。数字I/O看门狗提供了一种在发生系统错误或故障时将数字设备的输出设置为已知安全状态的方法。数字设备不断收到确认信息，表明计算机仍然正常运行。如在可编程超时内未收到确认，安全状态将被写入输出。下图7显示了正常运行过程中的信息流。

图7.显示不同硬件和软件级别的看门狗定时器流程图

一旦配置并启动看门狗，软件应用程序必须持续重置定时器以避免过期。该任务通过NI-DAQmx Control Watchdog Task VI完成，如图8所示。该重置用作上述确认。

图8.配置和重置看门狗定时器

在图9的流程图中，如发生故障（如计算机挂起），硬件将继续倒计时直到超时过期。此时，预定义的安全状态被写入输出，所有未来的写入操作将被忽略。

图9.显示看门狗定时器到期的流程图

为了使设备重新响应硬件命令，必须再次使用NI-DAQmx控制看门狗任务VI清除到期，如图10所示。

图10.清除到期

数字I/O看门狗可防止各种类型的故障，包括应用程序挂起、计算机挂起和整个系统崩溃。从上述描述中需要注意的一点是，一旦配置，看门狗就不再依赖软件输出安全状态。重置定时器仅需软件。 

全新高可靠性工业功能组合是调节工业过程、降低噪声、限制机器损坏和防止浪费的有力工具。所有可编程功能均可通过NI-DAQmx轻松实现，因此可快速部署至工厂车间。隔离产品为高压数字信号的采集和生成提供了一种方法，可保护I/O设备和计算机的内部电路。通过这些功能，您可以创建强大的专业工业系统。