透過 NI CompactRIO 在邊緣與之後的極致解決方案

​若要針對即時自動化控制架構選擇最理想的 CompactRIO 控制器,就必須深入了解運算密度、FPGA 架構複雜度與週邊裝置連接之間的權衡。選擇控制器時,目前有 2 種 NI 系列可供選擇:cRIO-904x 系列與 cRIO-905x 系列控制器。這些控制器是即時嵌入式控制系統的基礎,能發揮超越傳統 PLC 架構設計的彈性與效能。在比較 CompactRIO 與 PLC 與其他平台的架構時,CompactRIO 結合了即時處理與 FPGA 加速的緊密整合、堅固耐用,而且體積小巧且無風扇。 

​這兩款 NI CompactRIO 系列都能透過 NI Linux Real-Time 提供精確的執行環境。此作業系統是以標準核心為建置基礎,但經過最佳化處理,能因應工業控制的低潛時需求,同時支援 NI LabVIEW Real-Time 與豐富的 C/C++ 與 Python 工具生態系統。 

​cRIO-904x 高效能控制器

​cRIO-904x CompactRIO 控制器專為需要大量內建處理與整合人機介面 (HMI) 功能的高階用途所設計。此架構由 Xilinx KintexTM 7 FPGA 定義,相較於 cRIO-905x 的 ArtixTM 7,其可提供較高的邏輯單元數量與更穩定的數位訊號處理 (DSP) 分割區。這個 FPGA 讓 cRIO-904x 更適合用於複雜的控制演算法、高速視覺整合,或是大量平行資料處理等應用。 

​cRIO-904x 最重要的差別之一就是連線功能。其中包含 2 個整合式序列埠 (支援 RS-232 和 RS-485),以及配備 DisplayPortTM 替代模式 (DP Alt 模式) 的 USB 3.1 Type-C 連接埠。這個 Alt 模式可讓控制器直接驅動外部螢幕,支援「嵌入式 UI」功能,不需另一個工業級電腦,就能透過處理器呈現本地 HMI。

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​cRIO-905x 最佳化數值控制器

​cRIO-905x 可做為更具經濟效益的替代方案,且不犧牲平台固有的耐用度或精確度。這些控制器採用 Xilinx Artix 7 FPGA 技術,能針對溫度監控、低至中速控制迴路與分散式資料記錄等標準工業級作業提供平衡的效能設定。

​雖然 cRIO-905x 缺乏 cRIO-904x 的整合式序列埠、全尺寸 SD 介面卡,以及直接的 DisplayPort 視訊輸出,但它還提供可移除式儲存裝置的 microSD 介面卡插槽,這對於必須實際傳輸大量資料的資料記錄應用而言非常有優勢。cRIO-905x 通常是分散式「無頭」節點的首選,這些節點會透過乙太網路與集中式伺服器或 HMI 進行通訊。

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將 FPGA 整合到 CompactRIO 架構後,就能發揮精確的控制系統與即時運動控制功能。CompactRIO 具備此功能,非常適合用於即時預測控制與監控等高效能用途。舉例來說,Kintex 7 FPGA 支援進行複雜的即時運動控制與高速平行處理,FPGA 可做為可程式化的背板,用於管理 C 系列 I/O 模組與即時處理器之間的通訊。

Kintex 7 與 Artix 7 功能

這兩種 FPGA 系列之間的選擇,是影響系統成本與功能的主要因素。Kintex 7 是中程式 FPGA,可提供高邏輯密度與高瓦特效能。其邏輯單元數較大,因此能在硬體中執行更複雜的數位訊號處理 (DSP) 演算法。舉例來說,cRIO-9049 中找到的 Kintex 7 325T 包含超過 325,000 個邏輯單元與 840 個 DSP 分割區,可實作高階濾波器、快速傅立葉轉換 (FFT) 與多軸運動控制設定檔,進而壓倒 CPU。

反之,Artix 7 經過最佳化處理,可降低耗電量與體積,因此非常適合用於 cRIO-905x。雖然是「價值」選項,但Artix 7 100T FPGA 仍擁有足夠的資源,可滿足大多數的標準工業控制作業,包括 PWM 產生、正交編碼器解碼與客制數位觸發。cRIO-904x 通常會因應更嚴格的時序限制,這是 Kintex 材質優異路由與時脈架構的第二階效應。

​cRIO-904x 與 905x 控制器最創新的功能之一,就是可針對每個插槽選擇 Real-Time NI-DAQmx、LabVIEW FPGA 與 Real-Time 掃描模式之間的程式設計模式。這種「混合模式」功能可讓開發人員在單一機箱中結合使用簡易的高階驅動程式與低階硬體客製化功能。

Real-Time NI-DAQmx 程式設計模式

NI-DAQmx 加入現代 CompactRIO 平台,為開發人員的生產力帶來了正面改變。過去 CompactRIO 必須用到更進階的程式設計技術,才能因應大多數的作業。在 NI-DAQmx 模式中,C 系列模組在使用於 CompactRIO 系統的同時,也會以 CompactDAQ 機箱的方式運作。NI-DAQmx 驅動程式是所有 NI DAQ 產品的標準驅動程式,為工程師提供熟悉的介面,可迅速開發作業設定、時序與觸發。相較於傳統的 CompactRIO 程式設計方式,此模式可大幅縮短開發時間。

建議用於控制 cRIO-904x 控制器最高 5 kHz 的速率,以及 cRIO-905x 控制器 2.5 kHz 的速率。它支援硬體時序的單點採購,對於控制迴圈而言,這種迴圈必須在不負擔緩衝管理的時間內,以最短的延遲處理最新樣本。在此模式下,模組會出現在 LabVIEW Project Explorer 中的「程式模式 > Real-Time 資源項目」。

圖 1：使用 NI Measurement & Automation Explorer (MAX) 即可將個別模組設定為 3 種不同的程式設計模式之一。

LabVIEW FPGA 程式設計模式

針對需要更高效能、客制化時序或次微秒同步化功能的應用,LabVIEW FPGA 程式設計模式 (使用 LabVIEW FPGA Module) 仍是首選。此模式可直接存取 FPGA 架構。您可建立 LabVIEW FPGA VI,接著將其編譯成硬體位元檔案,並部署至控制器。

若控制速率超過 5 kHz,或是必須以零抖動執行的作業 (例如高頻 PWM 或客制化通訊協定) 皆須進行 LabVIEW FPGA 程式設計。若要使用此模式,您必須在開發主機上安裝 LabVIEW FPGA Module。

即時掃描模式 (I/O 變數)

RIO 掃描介面又稱「掃描模式」,是專為快速開發慢速控制與監控系統所設計 (通常 <1 kHz)。LabVIEW 會使用固定位元檔自動設定 FPGA,以使用者定義的速率掃描所有模組,並以 I/O 變數呈現資料。雖然對大多數現代系統而言,建議使用的方式為 Real-Time NI-DAQmx 模式,但針對頻繁更換 I/O 模組的系統,Scan Mode 可提供優勢,因為此模式支援模組類型的動態偵測。 

了解如何使用 Scan Mode。

表 1：cRIO-904x 與 cRIO-905x 的程式設計模式比較。

CompactRIO 平台的多功能性源自於 C 系列模組生態系統,可針對多種應用,運用超過 100 種不同的模組,針對各種訊號類型、環境條件,以及高速與精確量測系統等應用,進行可擴充的多通道資料採集 (DAQ)。

類比輸入 (AI) 架構

選擇合適的類比輸入模組時必須評估所需的解析度 (位元)、取樣率與隔離。NI 採用 3 種主要架構,適用於 C 系列 AI 模組:

1. 基於連續漸近暫存器 (SAR)的架構—這些模組 (如 NI-9201 與 NI-9205) 都是通用模組,通常具備多工輸入。適用於壓力或流量等中速量測作業。
2. 基於 Delta-Sigma 的架構—用於高解析度模組 (如 NI-9234、NI-9232 與 NI-9250) 中,此架構可提供出色的反失真功能,並且是聲音、振動與精確應變量測的標準。
3. 基於同步取樣的架構—這些模組 (如 NI-9223) 均配備專屬的 ADC,可確保量測之間不會發生相位延遲,這是電力品質或高速結構分析不可或缺的部分。

溫度與特殊感測器模組

溫度量測是監控系統的基礎。NI 提供適用於熱電偶 (如 NI-9213) 與電阻溫度偵測器 (RTD) 的模組。這些模組包含整合式冷點補償 (CJC) 與高解析度 ADC,可處理溫度感測器特有的毫伏等級訊號。 

針對結構狀態或材料測試,如 NI-9237 等應變/橋接模組可針對 1/4 橋接、1/2 橋接與全橋接感測器提供整合式橋接補償,以及可程式化的激發電壓。

數位 I/O 與工業控制

數位模組 (NI-94xx) 可介接工業邏輯準位,通常是 5 V TTL 或 24 V 工業邏輯準位。NI-9401 是一種常見的高速雙向數位模組,而 NI-9477 則為 32 通道汲極數位輸出模組,可驅動高達 60 V 的工業級電磁體與繼電器。

除了標準 I/O 之外,CompactRIO 還支援多種工業級通訊協定,包括 EtherCAT (主要形式)、802.1AS 或時效性網路 (TSN)、CAN、CANopen 與 Modbus,可進行即時監控與控制。NI-9862 提供單埠式 CAN 介面,並支援 NI-XNET 驅動程式,這是汽車或航太測試不可或缺的介面。針對舊版序列裝置,NI-9870 可為系統新增 4 個 RS-232 連接埠。CompactRIO 適用於工業級機械、即時流程控制與分散式工業系統的工業級監控與控制,以及遠端監控與控制。

系統擴充

8 槽式控制器提供極高的 I/O 密度,但許多應用需要額外的插槽,因為它可以擴充到 8 槽式機箱之外。cRIO-904x 與 cRIO-905x 支援數種擴充方法:

1. cDAQ-9185/9189 機箱:使用 cRIO-904x/905x 的時效性網路 (TSN) 功能搭配使用 NI-DAQmx 的 cDAQ-9185/9189 機箱,是擴充 I/O 並維持高速同步化的其中一項途徑。
2. NI-9145 EtherCAT CompactRIO 機箱:將 cRIO 控制器連接至 NI-9145 8 槽式 EtherCAT 附屬機箱,可提供精確的工業級協定,適用於運動控制與分散式即時作業。EtherCAT RIO 採用菊鏈拓撲,最多支援 65,535 個附屬裝置。
3. NI-9149 乙太網路 CompactRIO 機箱:NI-9149 乙太網路 CompactRIO 機箱最適合用於分散式監控,不需要高精確度,卻需要標準的網路彈性。

在工業環境中,接地迴路與電磁干擾 (EMI) 通常會影響訊號完整性。CompactRIO 模組可透過多種隔離策略因應此一問題:

• 通道對接地隔離—保護系統不受高電壓突波影響,並確保控制器不會因接地電位差而受損。
• 通道對通道隔離—每個通道均與其他通道進行電子隔離,能發揮最高等級的抗雜訊與安全性。
• 組間隔離—一組通道共用隔離式接地,在成本與保護之間提供中間接地。 

CompactRIO 模組可提供高速 DAQ 效能,同時在嚴苛環境中發揮堅固耐用的 DAQ 硬體的作用。此平台的耐用性,在環境等級也進一步證明。大多數模組與控制器的等級作業溫度範圍為 -40 °C 至 70 °C,並可承受 50 g 的衝擊與 5 g 的振動。針對極度嚴苛的環境,許多型號均適合使用形態塗層來避免濕氣與汙染。CompactRIO 的耐用度與穩定性均更優異,因此是嚴苛環境中工業級資料採集的理想解決方案。

CompactRIO 的成功部署作業取決於合適的實體基礎架構。CompactRIO 可在嚴苛環境的 DAQ 應用中進行行動式資料採購,而這類應用必須仰賴耐用性與熱能設計。在工業系統中,適當的整合可確保 CompactRIO 機箱能穩定運作。這個環境包含選擇合適的電源供應器、安裝硬體,以及確保熱能管理。

電源系統選擇

cRIO-904x 與 cRIO-905x 需要 9 V 至 30 V DC 的電源。針對工業級安裝,NI PS-25 (24 VDC、5 A) 等 DIN 導軌固定供應器是標準選擇。cRIO-904x 系列控制器的備援電源輸入可連接兩個獨立的電源,確保單一的電源故障不會導致系統關機,這是關鍵任務監控的重要功能。

表 2：適用於 CompactRIO 系統的 必備電源供應配件。

固定與熱設計

CompactRIO 可安裝在可做為散熱器的金屬表面上。NI 建議使用特定的「參考固定設定」 (水平方向),以達到指定的最高作業溫度。

• 平板固定—針對高振動環境,直接將機箱螺栓至金屬面板是最佳方式。
• DIN 導軌固定—NI-990x 套件支援機箱固定於標準的 35 公釐 DIN 導軌。
• 機架固定式—19 吋機架固定式機箱或 NI 機架組合可用於整合至伺服器型機箱。

危險環境安全

如用於石油與天然氣、化學或製藥廠,cRIO-904x 與 cRIO-905x 皆符合 Class I、Division 2 與 ATEX Zone 2 危險環境認證。這些認證表示硬體在正常運作條件下不會提供點火源。不過,安裝人員必須遵守特定的「Ex ec」 (提升安全性) 準則,例如使用符合 IP54 等級的機殼,並確保在系統供電時不會移除模組,除非該區域已知為無危險區域。

維護 CompactRIO 系統時必須特別注意軟體版本。您需要 LabVIEW、LabVIEW Real-Time Module 和 LabVIEW FPGA Module,才能完整使用 CompactRIO 控制器。您也可以使用 Python 與 C/C++ 進行控制器的程式設計,但有其限制。要為 FPGA 建立客制化位元檔,必須使用 LabVIEW FPGA Module。工程師也經常使用 NI VeriStand 等常見的 HIL 工具進行即時控制系統測試。

NI Hardware Configuration Utility

NI Hardware Configuration Utility 是主要的系統探索與設定工具。透過 USB 或乙太網路連接新的控制器時,可使用 NI 硬體設定公用程式安裝 NI Linux Real-Time OS、格式化內部磁碟機,並安裝使用此裝置所需的所有驅動程式與軟體。此公用程式也提供測試面板,可在編寫單一程式碼之前先確認控制器和模組是否正確通訊。

組織在部署 CompactRIO 系統時必須解決工業控制系統的網路安全與邊緣運算安全問題,因此,安全變得格外重要。我們提供符合工業控制系統安全標準與 SCADA 網路安全實務的指引。 

查看影響 CompactRIO 的相關安全問題的最新資訊。

將 CompactRIO 用於控制與監控應用,可為控制系統的使用壽命與功能帶來策略性投資。利用 NI-DAQmx 驅動程式,即可大幅縮短 FPGA 架構系統傳統的開發時間,同時納入 TSN 等技術,確保系統已準備好因應未來的分散式網路同步化量測作業。

CompactRIO 平台的功能與效能,為產業創新提供無可比擬的基礎。無論是手術機器人,還是分散在地區的結構監控網路,CompactRIO 都能發揮 PLC 的耐用度,而且能發揮使用者可程式化 FPGA 的無限靈活性。

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