針對工業級應用，使用 NI 數位 I/O 高可靠度函式集

隔離在實體與電氣上會將電路的兩部分區隔開來,且能發揮數項優勢。其可中斷接地迴路、改善共模電壓與雜訊抑制,並讓電路的兩部分位於不同電壓位準。隔離也能保護電腦電路。工業應用通常需要隔離,以保護電子元件不受暫態電壓突波影響,並在包含機械與電感負載的電子雜訊環境中提供更高的共模雜訊抑制。就通道對通道隔離的 I/O 而言,每個通道都有專屬的接地端子。在組間隔離裝置中,每個組間 (或組間) 都包含多個通道,這些通道共用相同的接地,但與其他組間隔離。

化學色素混合器

化學色素混合是將無機化學物質混合成色素與染料的流程。化學液流幫浦與液壓控制閥可調節 2 種化學品的流動速率。幫浦與閥門各有各自的接地參考,而幫浦會連接至具有相同接地參考的緊急停止開關。此外,這兩個接地參考差別為 5 V。

在沒有隔離的情況下 (如圖 1 所示),必須將三台裝置全數直接連接在一起,進而造成接地參考電壓差所造成的接地迴路。

圖 1.非隔離連線

這種電流可能會對幫浦與閥門電路造成損壞。此外,裝置訊號輸出的負載增加,也有可能導致讀數錯誤。有了組間隔離的數位產品 (圖 2),這些裝置就能使用自己的接地參考,即使電壓差異相當大,也不例外。

圖 2.組間隔離連線

這類工業環境通常會有極高的電子雜訊。例如電源線、電動馬達與繼電器等雜訊來源。在這種充滿雜訊的環境中,隔離機制可保護 I/O 裝置的數位電路,避免其電壓超出正常作業範圍。

如果大型自動化系統發生故障,就必須能及時查看故障時的系統狀態。同樣重要的是,導致故障時程的狀態。

發電廠監控

2003 年 8 月,美國東北部數個城市遭到電氣斷線,數百萬人失去電力。在隨後的調查中,官員嘗試判斷發生空滯的原因。在這種情況下,在分鐘、幾小時甚至數天之前檢視系統狀態的能力非常重要。

由於系統可能隨時變更,因此必須隨時進行監控。另一方面,如果在特定間隔內持續量測系統,可能會產生大量資料,其中許多都是重複性且無關的資料。變化偵測可移除重複資料,同時記錄重要系統事件,從而發揮兩種優勢。使用變化偵測功能,只有在在特定輸入偵測到上升緣或下降緣時,才能取得資料。舉例來說,每當繼電器開啟或關閉時,所有繼電器的狀態都會被捕捉並儲存,以便日後發生需要。

在 NI-DAQmx 中可輕鬆建立用於使用變更偵測的程式。NI-DAQmx Timing VI 具有新的多型執行個體,與其他任何緩衝 NI-DAQmx 輸入作業一樣,可處理變更偵測 (圖 3)。程式設計師可完全控制用來偵測變更的線路。上緣通道與下降緣通道控制可填入裝置實際存在的任何輸入通道組合。下一節將探討變更偵測在搭配數位輸入濾波時,如何更實用。

圖 3.在 NI-DAQmx 中設定變化偵測

如前所述,工業環境可能會產生電子雜訊。這種雜訊可能會造成多種問題,其中一個問題就是不需要的讀數。任何數位輸入裝置都會使用一或兩個電壓臨界值來判斷輸入是高還是低。當輸入電壓高於高臨界值時,裝置會讀取邏輯高。反之,如果電壓低於低臨界值,則裝置會讀取邏輯低。如果出現雜訊,輸入電壓可能會意外超出臨界值,進而造成不正確的高或低讀數。在其他情況下,訊號可能會變更狀態幾次,但實際上,狀態只變更一次。

石油精煉廠

在石油精煉廠中,可以使用鍵切換器來啟動原油流入精煉實驗室。不過,切換器往往會出現大量的抖動。就像在硬面上反彈的球一樣,當其中一個金屬接觸點被強迫進入另一個接觸點時,它會反彈。訊號重複連接會導致控制的幫浦快速開關,進而加速耗損幫浦,最終導致過早故障。此外,如果您使用具備變更偵測功能的 NI 裝置進行訊號收集,輸入緩衝區就會不必要地填充。

若在 NI 裝置上啟用輸入濾波器,就會消除反彈切換器所造成的錯誤讀數。其做法是忽略寬度過小的脈衝。接著,NI 裝置即可將過濾訊號輸出至幫浦。使用者可透過可程式化輸入濾波器,以程式設計方式選擇保證通過的最低脈寬 (圖 4)。

圖 4.在 NI-DAQmx 中設定輸入濾波器

任何大於指定的最小脈衝的脈衝均保證會通過,而小於指定的脈寬一半的脈衝則保證會過濾。脈衝落在脈寬的一半與整個脈寬之間時,可能會或可能不會通過。

當電腦啟動時，不同的元件會開始執行各自的開機程序，以確保元件達到預期的運作狀態。如果電腦內部使用數位輸出來控制機器或工業製程,則必須將數位輸出初始化為已知狀態。變更輸出通常需要應用程式在運行中,但可能會先開啟裝置幾分鐘,然後再啟動應用程式。數位裝置必須在接上電源時,自行設定輸出方式。

滾機

在鋼鐵中,加熱鋼必須穿過滾動機械,才能形成不同寬度的鋼束。滾動馬達由數位 I/O 裝置的數位輸出通道控制。開啟電腦電源時,必須關閉滾動馬達,避免在開機時浪費任何鋼材。如果數位 I/O 介面卡無法保證初始輸出,則電腦必須完全開機,並且必須先啟動控制程式,才能在通道上輸出已知狀態。缺乏控制可能會導致浪費昂貴的原物料與損壞設備。無故障開機狀態可確保所有數位輸出在裝置開機時,都能以已知狀態開始。由於這些機器不會意外啟動,因此不會浪費任何鋼材。

在新的 NI 數位產品上,可程式化的開機狀態會在裝置的 EEPROM 中執行。EEPROM 中的開機狀態,可透過 2 種不同的方式,透過程式設計方式變更。A) NI-DAQmx Set Power-Up States VI 可在 LabVIEW 中執行 (圖 5)。執行 VI 時,會將設定下載至 EEPROM。

圖 5.LabVIEW 的開機狀態

B) 您也可以開啟裝置的屬性頁面,以從 NI Measurement & Automation Explorer (MAX) 撰寫這些設定。使用者按下「OK」(確定) 按鈕時,會寫入所需設定 (圖 6)。這兩種方法都能輕易用於執行可程式化的開機狀態。

圖 6.於 MAX 中設定開機狀態

控制系統通常需要某種備援 (Redundancy) 或故障安全 (Fail-Safe) 機制。如果某個系統元件無預警故障時,故障安全機制就能控制系統,並且把系統調整為已知的安全狀態。新款 NI 工業級數位產品的數位 I/O 監控器可用來偵測系統錯誤並安全地加以修復。請注意,NI-DAQmx Watchdog 功能可保護系統免除軟體錯誤與掛斷問題。若是透過 MXI 進行遠端控制的 PXI 系統,MXI 連線遺失可能會導致非預期的 Watchdog 行為,因而無法正確執行 Watchdog 狀態。 

糖果工廠

泡泡胶可於糖果廠切割並封裝。刀片會將橡膠切割成零件,而輸送器會將零件移至包裝機中。刀片與輸送帶都會透過數位輸出通道進行控制。如果控制應用程式掛起,理想情況下,輸送帶就會停止移動,而刀片就會離開橡膠。否則,機器可能會受損,並導致不必要的橡膠浪費。發生系統錯誤或故障的時候,監控計時器可以把裝置的輸出通道設為安全狀態。數位裝置會持續確認電腦仍能正常運作。如果在可設定的逾期時間尚未收到此確認,安全狀態就會寫入已設定的輸出通道。下方圖 7 顯示正常作業期間的資訊流動。

圖 7.監控計時器流程圖顯示出個別的硬體與軟體階層

一旦監控計時器完成設定並且啟動之後,軟體應用程式就必須持續重新設定計時器,以免逾期。使用 NI-DAQmx Control Watchdog Task VI 完成這項作業,如圖 8 所示。這個重設做為上述的確認作業。

圖 8.設定與重新設定監控器計時器

在圖 9 的持續流程圖中,如果發生錯誤 (例如電腦掛起),硬體將繼續計算降,直到超時到期。此時會將預定義的安全狀態寫入輸出,並忽略未來的所有寫入狀態。

圖 9.顯示 Watchdog 計時器到期的流程圖

若要讓裝置再次回應硬體指令,則必須再使用如圖 10 所示的 NI-DAQmx Control Watchdog Task VI 清除到期。

圖 10.清除到期時間

數位 I/O 監控器可避免各種類型的故障,包括應用程式掛斷、電腦掛斷以及整體系統當機。請務必注意,在上述說明完成後,監控器 (Watchdog) 將不會依賴軟體輸出安全狀態。軟體僅限重設計時器。 

全新的高穩定性工業級功能組合能有效調節工業流程、降低雜訊、減少機器損壞並避免廢棄。所有可程式化功能都可透過 NI-DAQmx 輕鬆執行,因此可迅速部署至原廠。隔離式產品能發揮保護 I/O 裝置與電腦內部電路的作用,有助於取得與產生高壓數位訊號。透過此完整的功能組合,即可建立穩定的專業工業系統。