Jste zde

PAC - Compact FieldPoint

Antonín Vojáček, 24. Březen 2005 - 19:31

Compact FieldPoint je malá modulární I/O architektura s vestavěným zpracováním signálů a izolací I/O od okolí pro přímé připojení senzorů, akčních členů apod. Umožňuje digitální zpracování signálů ve spojení s LabVIEW Real-Time Modulem běžícím na PC s OS Windows. Poskytuje regulaci systémů, akčních členů, real-time simulace a anylýzy a komunikaci přes sériové svěrnice RS-232, RS-485 nebo síť Ethernet.

Programovatelné automaty řady Compact FieldPoint, které nabízí firma National Instruments, lze zařadit mezi zařízení PAC (Programmable automation controller). Jsou navržené pro řízení aplikací v průmyslovém prostředí formou vestavných modulů. Compact FieldPoint, stejně jako obecně PAC, poskytuje schopnosti a řídící vlastnosti klasických PLC a propojitelnost, flexibilitu a programovaní jako PC. řídící jednotka je tvořena PC komponentami jako jsou floating-point procesor, DRAM, Flash EEPROM, rozhraní pro flash karty apod, které jsou však dimenzovány na zvýšenou odolnost proti otřesů a vibracím.

V základu je o modulární systém složený z:

Backplanes - základní sokl obsahující propojující sběrnici typu PCI a 4 až 8 slotů pro vestavné moduly
Controller moduly - poskytují embedded hardware pro řízení, zpracování a zalohování dat a komunikaci s nadřazenými systémi (Ethernet, RS-232 apod.)
I/O moduly - různé moduly do slotů backplane pro libovolné rozhraní s řízeným procesem
Konektorové bloky - přídavné externí terminály

V celku systém poskytuje zpracování libovolného procesu procesorem s plovoucí řádovou čárkou s Flash i RAM pamětí v reálném čase embedded operačním systémem Real-Time LabVIEW. řízení a monitorování z PC či z HMI prostřednictvím embedded interactive Web serveru. Systém je přitom odolný proti šoků v podobě až 50g nebo trvalým vibracím až 5g. Z toho důvodu je také zbaven veškerých rotujících částí jakými jsou například větráky. Tím je vhodný pro mobilní aplikace. Dokonce má i certifikát zkušebny Lloyd pro námořní aplikace. Bezchybný provoz může být může být v zarušeném prostředí EMC (Electromagnetic Compatibility) třídy 1 zóny 2. Též odolává teplotám -40 až 70°C.

Nabídka vestavných modulů

Základem je backplane, který v nabídce firmy National Instruments exituje ve verzi se 4 nebo 8 sloty pro vestavné moduly a stejně tak 4 nebo 8 konektorů 37-pin D-SUB pro připojení dalších zařízení. Možné je zakoupit i backplane pro připevnění na DIN lištu.

LabVIEW Real-Time Controller

Moduly kontrolérů jsou hlavní části celého PAC systému. Všechny obsahují floating-point procesor, které podle výrobce stačí zpracovávat řídící smyčku programu pod 1kHz. V nabídce jsou tři volby modulů kontrolérů s rozsahem vnitřní DRAM 16 až 32MB a EEPROM 32 až 64MB, přičemž v kontroléru běžící operační systém a LabVIEW Real-Time Engine potřebuje zhruba 8.4MB DRAM a 5MB EEPROM. Jeden typ poskytuje slot pro Compact Flash paměťové karty. Ty nabízí přímo National Instruments v provedení pro průmyslové použití pro teploty -40 až 85°C a v rozsahu 64 až 512MB. Moduly obsahují několik rozhraní RS-232, RS-485 a klasické Ethernet rozhraní s konektorem RJ-45. Toho se hlavně využívá při komunikaci, předávání dat a řízení z PC nebo HMI (Human-Machine Interface). Proto taky kontroléry obsahují běžící Web Server pro snadné přímé interaktivní ovládání.

Analogové vstupní moduly

Tyto moduly umožňují měření napětí v řádu jednotek mV až 120 V (dle modulu) nebo proudy 0 až 20mA nebo 4 až 20mA běžné v proudových smyčkách z průmyslových senzorů a vysílačů. Každý modul má od 8 do 16 vstupních kanálů a nabízejí další vlastnosti jako jsou diagnostika překročení rozsahu nebo softwarového zapnutí 50/60Hz protišumového filtru. Pro převod na digitální signál využívají 12-ti bitový nebo 16-ti bitový sigma-delta A/D převodník.

Moduly pro přímé připojení senzorů teploty

Tyto moduly jsou uzpůsobeny pro přímé připojení různých typů termočlánků (J, K, T, N, R, W, B) a klasických platinových odporových teplotních senzorů Pt100 a Pt1000. Každý modul obsahuje 8 vstupních kanálů s rozlišení 16 bitů, resp. 16-ti bitovým A/D převodníkem. Platinové senzory lze připojit 2, 3 nebo 4-vodičové konfiguraci. Do této kategorie lze i zařadit moduly pro připojení a snímání napětí z výstupu plných i polovičních odporových můstků. Opět modul obsahují 8 vstupních kanálů s rozlišením 16-ti bitů. Vstupní rozsah lze softwarově volit v rozsahu 3.5 až 60 mV/V a zapnout šumový filtr 15/60/240 Hz.

Kombinované moduly vstupů a výstupů

Tento modul obsahuje 4 vstupní a 4 výstupní kanály, přičemž ty vstupní lze nastavit jako napěťové nebo proudové vstupy, zatímco výstupní kanály jsou proudové s rozsahem 0 až 20mA nebo 4 až 20mA. Rozlišení je 12 bitů.

Výstupní analogové moduly

Zde existují dva typy modulů : napěťové a proudové. Oba poskytují 8 výstupních kanálů s rozlišením 12 bitů. Rozsah proudových výstupů je 0 až 20mA nebo 4 až 20mA, zatímco napěťových výstupů 0 až 10V.

Digitální vstupní moduly

Zde se nabízejí moduly s 8 nebo 16 kanály s povoleným rozsahem vstupního napětí 3 až 250V. Všechny vstupy mohou být opticky odizolovány, což dovoluje na každém vstupu připojit diskrétní signál s rozdílným diferenčním napětí. Například na jeden vstup přiveden 5V TTL digitální signál, zatímco na druhý diskrétní signál od spínače s napětím až 250V AC. Každý vstup je čten s frekvencí 1kHz.

Digitální výstupní moduly

Tyto moduly poskytují 8 nebo 16 kanálů s digitálními signály 5V DC, 12V DC nebo 24V DC, které jsou zatížitelné až 2A. Každý výstup je updatován s frekvencí 20kHz.

Reléové moduly

Reléové moduly poskytují 4 až 8 relé výstupů pro maximální spínané napětí 120V DC nebo 250V AC a výstupní proud max. 1.5A. Obvykle se používají pro spínání indikátorových světel, zapínání motorů apod. Každý kanál má vlastní LED indikaci sepnutí relé. Maximální spínací rychlost je však pouze 20Hz.

Vysokorychlostní čítače

Moduly čítačů nabízejí 8 vstupů každý se 16-ti bitovým čítačem pro čítání změn až do frekvencí 50kHz. čítače lze řetězit, takže lze získat až jeden 128 bitový čítač. Vstupní digitální signály mohou mít amplitudu až 30V DC. Pro každý vstup lze softwarově určit hladinu napětí, při které se po překročení má zvýšit stav čítače. Moduly obsahují i vnitřní referenční zdroj hodin 1 až 32kHz pro měření frekvence. Moduly obsahují i 4 výstupy.

Moduly pro pulzně-šířkovou modulaci

Moduly PWM (Pulse-Widht Modulation) poskytují v 8 výstupech modulaci v rozsahu 1 až 65,535 ms, střídou 0 až 100% a s rozlišením 12 bitů. Výstupní úrověň každého kanálu může být kompatibilní s 5V DC nebo 10 až 30V DC. Výstup poskytující až 1A je chráněn proti přetížení. Výstupní frekvence modulovaného signálu může být až 1kHz.

Kvadraturní enkodér

Univerzální kvadraturní enkodér může být použit pro měření pozice a rychlosti v aplikacích řízení pohybu. Obvykle je využíván v kombinaci s PWM moduly pro řízení motorů. Modul má 4 vstupy pro čtyři osy a mohu měřit pozici v přímém i zpětném směru. Pro měření pozice enkodér obsahuje 4 nezávislé 32 bitové čítače a zaznamená signály až do frekvence 1MHz.Pro měření rychlosti se využívá rozlišení 16 bitů a modul vrací hodnotu počtu čítání za 1 mikrosekundu. Kladné číslo určuje indikuje dopředný pohyb, záporné číslo naopak zpětný chod. Rychlost může být průměrována za delší dobu.

Softwarová podpora & vývoj

Softwarová podpora systému Compact Field Point je založena na softwaru LabVIEW od National Instruments pro PC s OS Windows 2000/NT a vyšší. S jeho pomocí lze jednoduše vyvíjet zákaznické embedded aplikace běžící na modulech Compact FieldPoint. řídící modul s procesorem na němž běží nezávislý real-time operační systém má podporu komunikace v reálném čase s LabVIEW Real-Time Modulem běžícím na PC. Tak lze PC využít jako přímý HMI (Human-Machine Interface) s okamžitým zobrazením hodnot či možností měnit parametry systému za běhu.

Stejně tak lze jednoduše v grafickém prostředí navrhnout řídící systém aplikace, který prostřednictvím Ethernet propojení s PC nahrát do kontroléru, který již dále samostatně program vykonává. Tyto aplikace mohou vykonávat různé funkce jako například PID řídící algoritmus, statické analýzy, logické konstrukce a další. Zpracovaní či předzpracovaná data lze pak znovu později přenést do PC pro další složitější zpracováná nebo vizualizaci prostřednictvím paměťových karet Compact Flash nebo znovu propojení přes Ethernet nebo RS-232 rozhraní. V kontroléru vestavěný Web server umožňuje i přímo řídit nastavení systému prostřednictvím libovolného prohlížeče webových stránek.

Navíc je zde NI Measurement & Automation eXplorer (MAX) konfigurační software, kterým lze jednoduše prostřednictvím intuitivních dialogů konfigurovat celý celý systém včetně síťových parametrů modulů. Dále lze i za běhu testovat, zobrazovat vstupní hodnoty input modulů a konfigurovat I/O parametry jakými jsou rozsahy, výstupní stavy, stav watchdog apod.

Závěr

Compact FieldPoint je jednoduchý PAC systém, který je samostatně určen pro jednodušší real-time aplikace nebo pak při trvalém propojení s PC s běžícím programem Real-Time LabVIEW jako výkonné rozhraní pro měření a regulaci. Compact FieldPoint je výrobkem firmy National Instruments, která mé své zastoupení i pro českou Republiku včetně webových firemních stránek v češtině - viz. DOWNLOAD & Odkazy.