Jste zde

Průmyslový standard PXI pro programovatelné automaty

Antonín Vojáček, 20. Leden 2005 - 19:18
Standard PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) je otevřená platforma pro programovatelné automaty v oblasti měřících a automatizačních systémů. Protože je založená na hardwaru i softwaru objevující se v současných PC, poskytuje velký výkon za nízkou cenu. Následující článek přináší bližší obecný popis tohoto standardu doplněný o příklady zařízení z nabídky firmy National Instruments.

PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) je platforma založená na PC pro měřící a automatizační systémy. PXI totiž kombinuje parametry a vlastnosti klasické sběrnice PCI s modulárním Eurocard mechanickým provedením tzv. Compact PCI a přidávají specializované synchronizační sběrnice. Spolu se softwarem vytváří vysoce výkonnou a přitom finančně nenáročnou platformu pro měření a regulaci (MaR), v takových oblastech jakými jsou testovací linky, vojenský a letecký průmysl, systémy monitorování, automobilový průmysl a průmyslové řízení a testování. Standard PXI pro programovatelné automaty byl vyvinut v roce 1997 a od roku 1998 je možné se sním setkat v reálných aplikacích. PXI průmyslový standard je zastřešován organizací PXISA (PXI Systems Alliance - www.pxisa.org).

Tento článek se zaměřuje na obecný popis tohoto průmyslové standardu PXI doplněný praktickými příklady zařízení a moduly z produkce firmy National Instruments, která se výrazně i na oblast průmyslové automatizace a systémů MaR.

Obecná hardwarová architektura

PXI systémy jsou obvykle složeny z těchto tří hlavních komponent:

  • šasi (chassis)
  • systémový kontrolér (system controller)
  • periferní moduly (peripheral modules)

Variabilní modulární uspořádání komponent v podobě zásuvných modulů tedy nabízí libovolné vytvoření a přizpůsobení měřícího a řídícího systému dané aplikaci v daný moment. Se změnou měřeného objektu lze pružně změnit i měřící pracoviště pouhou výměnou některých modulů v šasi za jiné, bez jakékoliv změny ostatního vybavení. Jeden systém PXI může klidně nahradit skupinu přístrojů jakými jsou osciloskop, multimetr, generátor, převodníky komunikačních rozhraní, záznamníky průběhů atd.

PXI chassis

Základem systému je PXI/CompactPCI šasi, které tvoří pevnou strukturu pro vkládané moduly (karty) a zároveň zajišťuje jejich vzájemné propojení, komunikaci a napájení. Mechanická část šasi je tvořena rámovou strukturou různé velikosti dle určené velikosti systému (počtu modulu/karet). Velikost rámu je dimenzovaná dle standardu velikosti modulů PXI a CompactPCI stovek výrobců.

Elektrickou část šasi hlavně tvoří propojujícího podstavce, tzv. PXI backplane, který obsahuje sloty pro připojení modulů. Všechny sloty jsou vzájemně propojeny sběrnicemi. PXI backplane obsahuje současnou klasickou PCI sběrnici, jak ji známe z dnešních PC, s dalšími sběrnicemi pro přesné časování a synchronizaci (timing bus, triggering bus). Některá šasi již obsahují integrovaný DC zdroj s běžným napěťovým výstupem (+3.3V, +5.0V, +12V a -12V) a nucené chlazení vzduchem.


 

Šasi od National Instruments obsahují od 4 do 18 slotů. Navíc NI backplane poskytuje i speciální vlastnosti jakými jsou například 10MHz hodinový signál pro časování všech modulů, trigger signál s mezimodulovým zpožděním jen 1ns nebo lokální sběrnice mezi sousedícími moduly se schopností přenést analogové i digitální signály až 42V. Napájecí zdroje mají příkon až 600W (dle velikosti šasi, resp. počtu slotů). Některé malé šasi jsou určené hlavně pro přenosné aplikace s možností i interního bateriového napájení. Většina šasi je určena do teplotního rozmezí 0 až 50°C. V nabídce se sortiment NI šasi vyskytuje pod označením PXI-1042, PXI-1006, PXI-1002 a PXI-1000B.

PXI System Controllers

Tento modul, často obsazen v šasi nejvíce vlevo, umožňuje vzdálené řízení systému PXI přes standardní PC, datové sítě nebo OS Windows 2000/XP nebo real-time operační systémy jako např. Real-Time LabVIEW od National Instruments. Obecně lze tyto moduly rozdělit do dvou bloků:

  • PXI Remote Control (Vzdálené řízení systému PXI) - nejčastější je řízení prostřednictvím přímo připojeného blízkého PC nebo prostřednictvím PC v síti Ethernet (spojení zprostředkovává k tomu určený PXI modul).
  • PXI Embedded Control (řízení přímo vestavnými moduly v PXI systému) - vestavné moduly jsou obvykle složeny z komponent běžných v PC (CPU Pentium xxx, RAM, hard disk, USB, LPT, RS-232, RS-485 apod.)

Konkrétně u National Instruments lze řízení rozdělit do bloků:

  • PC Control of PXI with MXI-3 (PC řízení systémů PXI přes technologii MXI-3)
  • Ethernet Control of PXI (řízení systému PXI přes Ethernet)
  • Embedded Controllers (Vestavné kontroléry)
  • Real-Time Embedded Controllers

PC Control of PXI with MXI-3 (PC řízení systémů PXI přes technologii MXI-3)

National Instruments nabízí interface kit PXI-PCI833x, kterým PXI systém řízen přímo z PC prostřednictvím vysokorychlostního propojení MXI-3 (až 132Mbytes/s). MXI-3 se skládá z PCI karty zapojené v PC a PXI modulu v prvním slotu PXI systému vzájemně propojené měděným nebo optickým kabelem. Takto lze propojit mezi sebou i dva oddělené PXI systémy. Pod označením PXI-PCI8330 se skrývá modul pro MXI-3 propojení prostřednictvím max. 2m měděného kabelu a pod označením PXI-PCI8335 propojení přes 5m nebo 30m dlouhý optický kabel. Protože MXI-3 je transparentní architektura, lze ho úspěšně provozovat pod všemi známými OS jako jsou Microsoft Windows, Apple Mac OS, Sun Solaris.

Ethernet Control of PXI (řízení systému PXI přes Ethernet)

Zde moduly umožňují dálkově ovládat PXI a přenášet data přes LAN a Internet. PXI systém pak může jen data zpracovávat a například stránka vizualizace se přenechá nadřazené stanici. Nejedná se však o speciální skupinu modulů. Pro komunikaci přes síť Ethernet stačí použít některý z následující skupiny modulů Embedded Controllers, které mají implantované Ethernet rozhraní (obvykle 100BaseTX nebo 10BaseT)

Embedded Controllers (Vestavné kontroléry)

Tyto modulu umožňují přímo ovládat celý daný PXI systém bez připojení externího PC. Jedná se prakticky o celou PC jednotku integrovanou v malém modulu, která je tvořená komponenty objevující se v klasických stolních PC.

Nejnovější modul v nabídce National Instruments je PXI-8171, který poskytuje největší výkon pro náročné aplikace. Modul obsahuje:

  • CPU Intel Pentium III 1.26 GHz (Socket 370), 512kB cache
  • až 512MB SDRAM PC133 na 133MHz
  • 20GB ATA100 hard disk
  • AGP Super VGA (11MB SDRAM)
  • Plná PCI 132MB/s
  • Komunikační periferie: Fast Ethernet 100BaseTx (RJ-45), GPIB(IEEE 488.2), 2x sériový port, 2x USB, IEEE 1284 ECP/EEP paralelní port
  • 1.44MB 3.5in disketová mechanika
  • PS/2 konektor pro klávesnici/myš, ATA100 IDE rozhraní
  • PXI Trigger bus
  • Watchdog timer
  • Instalovaný OS Windows 2000 nebo Windows XP Professional

V nabídce jsou i další moduly (PXI-8176, PXI-8175 nebo PXI-8174) s menším vybavením, horšími procesory (min. Pentium III 566MHz, 128kB cache), menší RAM (128MB) apod., pro aplikace nevyžadující tolik výkonu ale nižší cenu a vyšší spolehlivost. Pomocí USB lze samozřejmě připojit Flash RAM nebo CD-ROM pro načtení, uložení a zalohování dat.

Real-Time Embedded Controllers

Moduly v této kategorii jsou speciálně určené pro náročné aplikace v oblasti zpracování v reálném čase. Hlavní zřetel je zde brán na maximální rychlost průchodu řídící a zpracovávající smyčkou programu. Na tuto vlastnost jsou přizpůsobeny moduly NI PXI-8176 RT, PXI-8175 RT a PXI-8145 RT. Pro Komunikace s nadřazeným systémem (PC s OS Windows) probíhá prostřednictvím Real-Time LabVIEW prostřednictvím sítě Ethernet nebo přes rozhraní MXI-3. Proti předchozí skupině kontrolérů jsou tyto moduly odlišně vybaveny:

  • CPU Intel Pentium III (1.26GHz nebo 866MHz) nebo low-power Pentium MMX 266 MHz
  • 128 až 512 SDRAM
  • Nonvolative paměť: 32MB Compact Flash a 20GB Ultra DMA IDE hard drive
  • Ethernet 100BaseTx/10BaseT (RJ-45), 2x sériový port, CAN interface, GPIB, MXI-3
  • Rozhraní pro řízení motorů
  • Rozšířená ochrana proti vibracím
  • atd.

PXI peripheral modules

Tato oblast tvoří mnoho periferních modulů pro veškeré současné rozšířené komunikační standardy, rozhraní, vstupy a výstupy, diagnostiku atd. Veškeré periferní moduly lze rozdělit do těchto oblastí:

  • Analogové vstupy a výstupy
  • Generátory signálů
  • Boundery Scan
  • Rozhraní sběrnic
  • řízení motorů
  • Digitální vstupy a výstupy
  • Digitální zpracování signálů (DSP)
  • Funkční testy a diagnostika
  • Napájecí moduly
  • Moduly přepínačů
  • Moduly časování vstupů a výstupů

V nabídce National Instruments je možní získat periferní moduly z každé uvedené kategorie, stejně jako je to běžné pro jiné standardy PLC. Zde bych se jen zmínil jen modulech tvořící rozhraní sběrnic (Bus Intefaces). Zde NI podporuje standardy pro komunikaci s PC a ostatními PLC (Gigabit Ethernet, Ultra2 SCSI, GPIB, VXI a VME (MXI-2 a MXI-3), CardBus, PCMCIA), se senzory, snímači a měřící další technikou (RS-232, RS-485/RS-422, CAN ,DeviceNet, FireWire (IEEE 1394) ).

Softwarová podpora pro architekturu PXI

Softwarová podpora systému PXI je založena na standardu softwaru pro PC firmy Microsoft, konkrétně Microsoft Windows operační systém a tím minimalizovat náklady na nákup speciálních softwarů. Kontroléry tedy využívají všechny standardy Windows včetně aplikačních programových rozhraní LabWindows/CVI, Measurement Studio, Visual Basic a Visual C/C++ nebo LabVIEW od National Instruments. Jako alternativa k OS založených na Windows je zde real-time software pro časově kritické aplikace vyžadující určitou rychlost vykonání programové smyčky a aplikace bez nutnosti použití klávesnice, myši, monitoru apod.

Závěr

Modulární systém PXI je výpočetní platforma pro měření a regulaci využívající de facto téměř standardní PCI sběrnici i komponenty, které jsou obsaženy v osobních počítačích PC. Výhodou této platformy je pak možnost využití libovolného softwaru pro PC a OS Windows. Pro PXI je v nabídce firmy National Instruments přes 1000 periferních a řídících vestavných modulů.

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: