universidade do minho escola de engenharia departamento de...
Post on 17-Jun-2020
0 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Electrónica Industrial
Pedro Miguel Ferreira Faria
Avaliação e Aplicação do CompactRIO no Controlo de Sistemas
Novembro 2009
Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Electrónica Industrial
Pedro Miguel Ferreira Faria
Avaliação e Aplicação do CompactRIO no Controlo de Sistemas
Dissertação submetida à Universidade do Minho para obtenção do grau de Mestre em Electrónica Industrial e Computadores
Dissertação realizada sob a orientação científica do Professor Jaime Francisco Cruz Fonseca Professor associado do Departamento de Electrónica Industrial da Universidade do Minho
Novembro 2009
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
iv
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
v
São fúteis e cheias de erros as ciências que
não nasceram da experimentação, mãe de
todo o conhecimento.
Leonardo da Vinci
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
vi
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
vii
AGRADECIMENTOS Expresso aqui os meus agradecimentos a todas as pessoas que de alguma forma me
ajudaram e contribuíram para o sucesso da minha tese.
Agradeço, aos técnicos e funcionários do Departamento de Engenharia Electrónica
Industrial e do Departamento de Engenharia Civil, pela disponibilidade demonstrada e
pela facilidade com que disponibilizaram as várias ferramentas que necessitei ao longo
da execução da tese.
Quero também agradecer aos meus colegas que me acompanharam dia a dia
proporcionando bons momentos de descontracção nos intervalos do trabalho.
Por fim, quero agradecer individualmente ao Doutor Jaime Fonseca, professor do
Departamento de Electrónica Industrial pelo acompanhamento, disponibilidade,
aconselhamento e ensinamentos que me ofereceu ao longo não só deste projecto, mas
também de outros anteriores que me permitiram aprender muito.
Guimarães, Novembro de 2009
Pedro Faria
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
viii
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
ix
RESUMO
Avaliação e Aplicação do CompactRIO no Controlo de Sistemas
O CompactRIO é um controlador programável que vem equipado com um chip
reprogramável (FPGA) e um processador que trabalha em tempo real. Assim, este
controlador tem todas as características para se tornar numa referência. Para obtermos
tal apreciação irá ser feita uma avaliação sobre essas potencialidades.
Com o intuito de se obter uma análise completa e rigorosa sobre o CompacRIO, foi
implementado um sistema de controlo e monitorização de um eixo obtendo assim a
característica do material que será contraído pelo eixo. Com esta aplicação serão
avaliadas as características que mais se destacam no CompactRIO.
Para tal foram criados algumas aplicações para testar características pontuais do
CompactRIO e uma outra aplicação mais completa e complexa que avalia para além das
características do controlador, a sua comunicação com o Labview combinado com um
computador servindo de motorização e controlo dos procedimentos, com um motor
eléctrico que é actuado a partir de um variador de velocidade que por sua vez actua
sobre um eixo que irá comprimir os materiais a serem testados.
O Software criado permite fazer o controlo manual do eixo bem como automático. No
caso do controlo automático, é criado um conjunto de relatórios com toda a informação
dos ensaios, nomeadamente as tensões aplicadas e as deformações criadas no material
de teste a cada ciclo de tempo.
Palavras Chave: Automação, compactRIO, aquisição de dados, controlo de dados
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
x
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
xi
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
xii
ABSTRACT
Evaluation and Application of the CompactRIO in Control
Systems
CompactRIO is a PLC programmable controller that comes with a reprogrammable chip
(FPGA) and a processor that works in real time. To obtain such an evaluation will be
evaluated these potential.
In order to obtain a full and accurate information of the CompacRIO was implemented a
system of control and monitoring of an axis and thereby obtaining the characteristic of
material that can be contracted by the shaft. With this application will be evaluated the
characteristics that stand out in the CompactRIO.
To get that, some applications were created to test specific features of the CompactRIO
and other applications most complete and complex that evaluates the communication
with Labview combined with a computer. The computer can control and monitoring
procedures and the variable frequency drive control the electric motor movements.
The software is created to make the manual and automatic platform control. In the case
of automatic control is created reports with all the tests information, including the
voltages applied and deformations created in the test material each time cycle.
Key words: Automation, CompactRIO, data acquisition, data control.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
xiii
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
xiv
ÍNDICE
ÍNDICE ..................................................................................................................... xiv
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................... xvii
LISTA DE TABELAS ............................................................................................... xix
LISTA DE ACRÓNIMOS .......................................................................................... xx
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................... 2
1.1 Introdução ..................................................................................................... 3
1.2 Objectivos da Tese ........................................................................................ 4
1.3 Estrutura da tese ............................................................................................ 5
2. ESTADO DA ARTE ............................................................................................. 6
2.1 Introdução ..................................................................................................... 7
2.2 PLC ............................................................................................................... 8
2.2.1 AC 800M ................................................................................................. 8
2.2.2 CS1D ....................................................................................................... 9
2.2.3 Modicon M340 ...................................................................................... 10
2.3 Placas PCI ................................................................................................... 12
2.3.1 PCI-1730 ............................................................................................... 12
2.3.2 PCI-1002H ............................................................................................ 13
2.4 Conclusões .................................................................................................. 14
2.5 Referências .................................................................................................. 15
3. HARDWARE ..................................................................................................... 16
3.1 Introdução ................................................................................................... 17
3.2 CompactRIO ............................................................................................... 18
3.2.1 Ligações ................................................................................................ 21
3.2.2 Módulos de Entrada/Saída Utilizados ..................................................... 23
3.3 Hardware do Protótipo ................................................................................. 29
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
xv
3.4 Referências .................................................................................................. 31
4. SOFTWARE ....................................................................................................... 32
4.1 Introdução ................................................................................................... 33
4.2 Aplicações de Teste ..................................................................................... 34
4.2.1 FPGA .................................................................................................... 34
4.2.2 Interrupções ........................................................................................... 35
4.2.3 Scan Mode ............................................................................................. 36
4.3 Conclusões .................................................................................................. 37
4.4 Referências .................................................................................................. 38
5. APLICAÇÃO PRINCIPAL ................................................................................. 39
5.1 Introdução ................................................................................................... 40
5.2 Diagrama do Fluxo de Dados ....................................................................... 41
5.3 Aquisição .................................................................................................... 42
5.4 Comando Manual ........................................................................................ 44
5.5 Comando Automático .................................................................................. 45
5.6 Resultado Final ............................................................................................ 47
6. CONCLUSÕES E TRABALHO FUTURO ......................................................... 50
6.1 Conclusões .................................................................................................. 51
6.2 Trabalho Futuro ........................................................................................... 54
BIBLIOGRAFIA ............................................................................................. 55
ANEXOS ........................................................................................................ 56
Anexo I - Variador de Velocidade ................................................................... 57
Anexo II – Sensores ........................................................................................ 63
Anexo III - Tempo Real ................................................................................... 68
Anexo IV - FPGA ........................................................................................... 70
Anexo V - Configuração .................................................................................. 76
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
xvi
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
xvii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2-1 : Autómato Programável da Omron [2] ........................................................ 7
Figura 2-2 : Placa PCI da Advantech [3] ....................................................................... 7
Figura 2-3 : AC800M da ABB [5] ................................................................................. 8
Figura 2-4: CS1D da OMRON [6] ................................................................................ 9
Figura 2-5 : Unidades de controlo de posição e movimento [7] ................................... 10
Figura 2-6 : Modicon M340 da Schneider Electric [8] ................................................. 11
Figura 2-7 : Placa PCI 1730 da Advantech [3] ............................................................. 12
Figura 2-8 : Placa PCI-1002H da Omega [10] ............................................................. 13
Figura 3-1 : Eixo comandado pelo motor eléctrico ...................................................... 17
Figura 3-2 : CompactRIO [1] ...................................................................................... 18
Figura 3-3 : Ni CompactRIO control and acquisition system [3] .................................. 18
Figura 3-4 : Diferença entre tecnologia de tempo real Hard e Soft [4] ......................... 19
Figura 3-5 : Painel do CompactRIO Típico ................................................................. 21
Figura 3-6 : Cabo RJ-45 .............................................................................................. 21
Figura 3-8 : CompactRIO e os seus módulos instalados .............................................. 23
Figura 3-7: Módulos de Entrada/Saída [5] ................................................................... 23
Figura 3-9 : NI 9205 [6] .............................................................................................. 24
Figura 3-10 : Circuito de Entrada para um Canal Analógico [7] .................................. 24
Figura 3-11 : NI 9472 [8] ............................................................................................ 25
Figura 3-12: Esquema interno do módulo [8] .............................................................. 25
Figura 3-13 : Circuito de Saída de um canal ................................................................ 25
Figura 3-14 : Módulo de Entrada Digital NI 9421 [9] .................................................. 26
Figura 3-15 : Esquemático das ligações ao Módulo [9]................................................ 26
Figura 3-16 : NI 9263 [10] .......................................................................................... 27
Figura 3-17 : Circuito de Saída de um canal [10] ......................................................... 27
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
xviii
Figura 3-19 : Esquema de Ligações do módulo Ni 9237 [11] ...................................... 28
Figura 3-18: Módulo 9237 [11] ................................................................................... 28
Figura 3-20 : Diagrama de Ligações do Hardware ....................................................... 29
Figura 3-21 : Protótipo ................................................................................................ 30
Figura 4-1 : Exemplo de Programação em FPGA ........................................................ 34
Figura 4-2 : Exemplo de uma aplicação usando as interrupções ................................... 35
Figura 4-3 : Scan Mode detectando os módulos instalados .......................................... 36
Figura 5-1 : Aplicação Criada ..................................................................................... 40
Figura 5-2 : Fluxo de dados entre Vis na Aplicação Principal ...................................... 41
Figura 5-3 : Criação de um FIFO ................................................................................ 42
Figura 5-4 : Monitorização dos processos.................................................................... 43
Figura 5-5 : Criação do array de dados ........................................................................ 43
Figura 5-6 : Excerto do Vi do Comando Manual no Computador ................................ 44
Figura 5-7 : Leitura dos dados de um FIFO ................................................................. 45
Figura 5-8 : Obtenção dos parâmetros de um determinado Procedimento .................... 45
Figura 5-9 : Ecrã do Comando Automático ................................................................. 46
Figura 5-10 : Leitura dos parâmetros para o Controlo PID........................................... 47
Figura 5-11 : Menu Principal ...................................................................................... 47
Figura 5-13 : Monitorização dos procedimentos .......................................................... 48
Figura 5-12 : Controlo Automático ............................................................................. 48
Figura 5-14 : Comando Manual ................................................................................... 49
Figura 5-15 :Configuração do procedimento ............................................................... 49
Figura 7-1 : Aspecto Externo do Variador de Velocidade ............................................ 57
Figura 7-2 : Terminais de Controlo do variador ........................................................... 58
Figura 7-3 : Consola Digital do Variador..................................................................... 59
Figura 7-4: Método de Ligação Standard ..................................................................... 62
Figura 7-5 : Célula de carga ........................................................................................ 63
Figura 7-6 : Testes com a Célula de Carga .................................................................. 64
Figura 7-7 : Características da Célula De Carga .......................................................... 64
Figura 7-8 : Encoder Utilizado .................................................................................... 64
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
xix
Figura 7-9 : LDT ......................................................................................................... 66
Figura 7-10 : Adição ao Projecto de um VI baseado em RT ........................................ 68
Figura 7-11 : Ciclo de tempo em RT ........................................................................... 69
Figura 7-12 : Interface entre o RT e o FPGA ............................................................... 69
Figura 7-13 : Representação da lógica FPGA .............................................................. 70
Figura 7-14 : Exemplo de código no FPGA ................................................................. 71
Figura 7-15 : Propriedades do FPGA no Labview ....................................................... 72
Figura 7-16 : Painel Frontal Interactivo de Comunicação ............................................ 72
Figura 7-17 : Procura de dispositivos ligados ao computador ...................................... 73
Figura 7-18 : Componentes instalados no CRIO .......................................................... 74
Figura 7-19 : Loop de 40 MHz .................................................................................... 75
Figura 7-20 : Compilação ............................................................................................ 75
Figura 7-21 : Measurement & Automation Explorer .................................................... 76
Figura 7-22 : Software instalado no CompactRIO ....................................................... 77
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 : Tabela de características ............................................................................. 14
Tabela 2 : Descrição dos botões disponíveis ................................................................ 22
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
xx
LISTA DE ACRÓNIMOS
PC - Personal Computer
PLC - Controlador lógico programável
CRIO - CompactRIO
NI - National Instruments
RT - Tempo real
FPGA - Field progammable gate array
V - Volt
A - Ampere
Hz - Hertz
Rpm - Rotações por minute
FIFO - First In First out
MAX - Measurement & Automation
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
1
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
2
1. INTRODUÇÃO
SUMÁRIO
Neste capítulo são apresentados a introdução e os objectivos da tese.
Faz-se uma breve introdução fazendo-se referência a alguns assuntos que irão ser
referenciados mais aprofundadamente no decorrer da tese e dando uma visão geral sobre
sistemas de aquisição e controlo de dados.
São descritos também os objectivos principais desta tese e alguns dos principais passos
que foram dados para obtenção dos mesmos.
Por fim, é apresentada a descrição dos capítulos constituintes da tese.
1.1 Introdução
1.2 Objectivos da Tese
1.3 Estrutura da Tese
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
3
1.1 Introdução
Numa geração onde os níveis de exigência crescem todos os dias, é necessário obter
materiais que se adaptem aos ambientes mais diversificados e que respondam de forma
precisa e eficiente a todos os requisitos exigidos.
Para caracterizar os diversos materiais são utilizadas máquinas que permitem realizar
diferentes ensaios. Um exemplo desses ensaios são os denominados ensaios triaxiais
que são ensaios de compressão ou extensão axial realizados num corpo de prova onde
são obtidas normalmente as deformações verticais e radiais conforme as tensões
aplicadas nos corpos de prova. Estes ensaios são uma ferramenta de significativa
importância na avaliação de parâmetros para dimensionamento de obras de engenharia
civil e na análise do comportamento dinâmico dos solos.
Normalmente os sistemas de aquisição e controlo de dados são usados em equipamentos
que necessitam de adquirir sinais do exterior provenientes dos mais variados sensores
com uma taxa de aquisição mais ou menos rápida consoante o tipo de ensaios, de modo
a obter uma percepção do mundo exterior em tempo real. Para isso, esses equipamentos
necessitam de ser facilmente adaptáveis a um conjunto diverso de sinais que poderão ter
que adquirir dos mais diversos sensores.
O controlo destes sistemas deve ser rápido e eficaz de modo a responder às variações
das leituras dos sensores exteriores, respondendo com prontidão às exigências do
sistema. Para isso a aplicação de software deve estar adaptada para responder às
solicitações que o hardware lhe impõe.
As técnicas de programação em Tempo Real são um dos métodos mais usados neste
tipo de aplicações resolvendo assim vários condicionantes que se apresentam no inicio
da criação de uma aplicação de software para este tipo de máquinas, o determinismo é
uma característica muito importante nestes softwares pois as falhas devem ser evitadas
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
4
ao máximo sob a pena de danificar o equipamento ou colocar em causa a integridade
física das pessoas que se encontrem no raio de acção do sistema.
1.2 Objectivos da Tese
Este trabalho teve como objectivo fazer uma avaliação sobre as potencialidades de um
sistema de tempo real, o CompactRIO da National Instruments em situações de controlo
e monitorização. Devido a esse facto foi desenvolvida uma aplicação em Labview que
efectuará o controlo, a aquisição e a monitorização de uma máquina protótipo de
ensaios de compressão de modo a testar todas as potencialidades do equipamento
seleccionado.
A aplicação tem por base um controlador programável da NI denominado por
CompactRIO sendo este um sistema avançado de controlo embebido e de aquisição de
dados que oferece as potencialidades do processamento em tempo real e do FPGA.
Para implementação deste projecto foi inicialmente efectuado um estudo sobre as
potencialidades, funcionamento e interacção com a plataforma de modo a obter-se um
sistema que satisfizesse os requisitos do problema proposto. Para isso teve que ser feita
uma conjugação entre o tempo real, o FPGA e o PC tornando assim a ligação entre
aquisição, processamento e monitorização mais robusta e eficaz.
Além disso, a aplicação terá que possibilitar a criação de um conjunto de relatórios dos
ensaios efectuados, com uma descrição detalhada das leituras efectuadas e permitir a
adição de novos transdutores para realizar diferentes tipos de ensaio.
É principal objectivo desta tese efectuar uma avaliação o mais completa possível das
potencialidades do CompacRIO. Para isso, foram inicialmente desenvolvidas pequenas
aplicações de software que permitem explorar e avaliar determinadas características
específicas do CompactRIO e posteriormente uma aplicação mais completa que permite
controlar uma máquina protótipo de ensaios de compressão com monitorização de
alguns sensores.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
5
1.3 Estrutura da tese
O Capítulo 1 faz a introdução á tese de mestrado fazendo referência a alguns dos
aspectos mais importantes que vão ser analisados mais á frente e fazendo uma pequena
introdução aos dispositivos de controlo e aquisição de dados. São apresentados também
os objectivos e a estrutura da tese.
O Capítulo 2 descreve o Estado da Arte, onde exemplifica alguns tipos de máquinas
onde é utilizado o CompactRIO e outros sistemas de controlo e aquisição para além do
visado.
O Capítulo 3 refere-se ao hardware constituinte do CompactRIO, realçando as suas
características e as suas configurações principais, sendo ainda referidos os vários
módulos de I/O que podem ser adicionados aos CompactRIO.
No Capitulo 4 é apresentado o software e recursos que podem ser utilizados para
manipular o CompactRIO, apresentando todos os seus atributos e o modo de
funcionamento. São detalhados todas as ferramentas disponíveis, as técnicas que
existem e as que foram usadas na sua criação incluindo o fluxo de informação que
circula na aplicação.
No Capítulo 5 é apresentado o resultado do trabalho realizado demonstrando o modo de
interacção com o utilizador e todas as opções que estão ao seu dispor bem como a
apresentação de alguns testes realizados. È detalhado todos os constituintes da máquina
e os vários transdutores e actuadores que foram utilizados na máquinas de ensaios e
alguns dos seus aspectos mais importantes.
Por fim, o Capítulo 6 descreve as Conclusões da tese realizada, uma análise sobre o
equipamento utilizado evidenciando todas as suas vantagens e desvantagens do
CompactRIO.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
6
2. ESTADO DA ARTE
SUMÁRIO
Neste capítulo é apresentado o estado da arte, nomeadamente no que se refere a
sistemas de aquisição e controlo de dados.
Foram analisadas as características de alguns PLCs e cartas de aquisição de dados mais
avançados de algumas marcas conhecidas de forma a obter-se uma pequena análise e
umas noções das características mais importantes destes dispositivos. Com esta análise
poder-se-á obter uma noção do que existe no mercado e deste modo poder tirar umas
conclusões relativamente às características do CompactRIO.
2.1 Introdução
2.2 PLC
2.3 Placas PCI
2.4 Conclusões
2.5 Referências
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
7
2.1 Introdução
No mundo industrial é usual necessitar-se de
sistemas de aquisição e controlo de dados para as
mais diversas tarefas, para satisfazerem essa
necessidade opta-se maioritariamente por umas de
duas opções, os Autómatos Programáveis ou as
Placas PCI usadas nos computadores. [1]
Os Autómatos Programáveis são ferramentas
precisas e capazes de executar uma determinada
tarefa repetidamente um número infinito de vezes sem perder o rigor ou ter qualquer
tipo de erro ou bloqueio de processamento. Neste momento estes equipamentos já têm
capacidade para milhares de sinais de entrada e saída e têm a capacidade de executar
tarefas em microsegundos. Têm um vasto leque
de meios de comunicações com o meio
exterior, nomeadamente por ethernet, porta
série, CAN, entre outros. É por causa destas
características que estes equipamentos são
amplamente requisitados para o mais variado
tipo de tarefas.
As Placas PCI são bastante usadas, no entanto
só funcionam recorrendo a um computador o
que é um ponto desfavorável na maioria das
aplicações pois um computador não tem o
determinismo e fiabilidade que são exigidos
em bastantes aplicações, os sistemas operativos baseados em Windows não estão
preparados para funcionar vários dias seguidos tornando-se ao fim de algum tempo
lentos e propícios a erros.
Figura 2-1 : Autómato Programável da Omron [2]
Figura 2-2 : Placa PCI da Advantech [3]
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
8
2.2 PLC
2.2.1 AC 800M
Este PLC tem como fabricante a ABB e consiste num conjunto de módulos que podem
ser instalados lado a lado horizontalmente. O AC 800M tem como unidade principal a
unidade do processador central. Esta unidade central é constituída por uma base
universal que se pode combinar com várias unidades de processamento que divergem na
capacidade de processamento e memória. O processador mais avançado (PM866) que
existe para esta unidade contém uma frequência de relógio de 133MHz, 64Mb de
memória RAM e 2Mb de memória flash. Existe um conjunto de módulos de entrada e
saída que permitem ao controlador receber e enviar sinais digitais e analógicos.
O AC 800M tem múltiplas formas de comunicação como por exemplo MB300, TCP/IP,
PROFIBUS, Modbus, Siemens 3964R, COMLI, RS232 entre outros. [4]
Figura 2-3 : AC800M da ABB [5]
Uma das vantagens que se destaca neste controlador é o facto de poder obter um sistema
á medida das necessidades de cada um, oferecendo uma gama muito variada de módulos
de entrada/saída e de comunicação. Para além disso possui uma entrada para cartões de
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
9
memória SD que permite guardar e modificar programas e configurações do
controlador. Em relação á programação, este controlador permite a escolha da
linguagem de programação que se designam por ST, LD, FBD, IL SFC.
2.2.2 CS1D
O PLC CS1D é fabricado pela OMRON e acrescenta determinadas opções de
redundância dupla à arquitectura de CS1 para garantir um funcionamento contínuo sem
qualquer tempo de inactividade. As CPUs dúplex, com ou sem funções de controlo de
ciclo, são continuamente verificadas no que diz respeito a erros, sem que haja
necessidade do utilizador escrever programas especiais. Uma das principais vantagens
deste controlador é a possibilidade de troca em funcionamento das CPUs, as fontes de
alimentação e as unidades de entra/saída permitem a manutenção do sistema com pouca
ou nenhuma interrupção no processo. [6]
Figura 2-4: CS1D da OMRON [6]
Tal como o controlador da ABB, este também permite a inclusão de cerca de 5000
entras/saídas provenientes de cerca de 80 módulos.
O processador tem capacidade para executar instruções binárias em cerca de 20ns e tem
uma memória com capacidade para 448KWords.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
10
Este controlador possui um conjunto de módulos de controlo de movimentos
possibilitando o controlo de múltiplos eixos.
Figura 2-5 : Unidades de controlo de posição e movimento [7]
As unidades de contador reúnem informações sobre a posição a partir dos codificadores
incrementais ou de SSI. As posições reais são comparadas com os valores alvo
armazenados internamente. As unidades de controlo de posição são utilizadas para o
posicionamento ponto a ponto com unidades de transmissão servo ou motores passo a
passo. As unidades de controlo do movimento e da posição equipadas com a interface
MechatroLink-II podem controlar várias unidades de transmissão através de uma única
ligação de alta velocidade. O encaminhamento de mensagens através de várias camadas
de comunicação permite às unidades de transmissão anexadas serem configuradas a
partir de qualquer ponto na rede de controlo.[7]
2.2.3 Modicon M340
O Modicon M340 é um controlador lógico programável de médio porte fabricado pela
schneider-electric. Este controlador tem capacidade para alocar 11 módulos de
entrada/saída e de comunicação, permite comunicações Ethernet, por porta série, por
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
11
porta USB, MODbus, CANopen entre outros e permite fazer backups dos programas e
configurações directamente em cartões de memória. [8]
Figura 2-6 : Modicon M340 da Schneider Electric [8]
Este controlador suporta diversos tipos de linguagens de programação como por
exemplo LD, ST, IL e FBD, o processador tem 4Mb de memória RAM, tem 16Mb de
memória para backups de programas, executa instruções em 0,12us, tem acoplado um
servidor Web para diagnóstico, tem como desvantagem o facto de ter apenas 11 slots
para módulos adicionais.
O software utilizado para programar o Modicon denomina-se por Unity Pro que fornece
um conjunto completo de funções e ferramentas que permite reproduzir a estrutura da
aplicação na estrutura do processo da máquina. O programa é dividido em módulos de
funções hierarquizados, que contêm secções de programas, tabelas de animação, janelas
de utilizador e hiperlinks.
O Unity Pro fornece uma biblioteca de DFBs de diagnóstico da aplicação. Integrados no
programa, estes DFBs podem ser utilizados (dependendo da sua função) para
monitorizar as condições permanentes de segurança e a evolução do processo no tempo.
Uma janela de visualização permite visualizar na ordem cronológica, por registos
datados, todas as falhas do sistema e da aplicação.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
12
As modificações online podem ser agrupadas coerentemente em modo local no PC e
transferidas directamente no controlador programável numa única operação para serem
consideradas no mesmo scan. Um conjunto completo de funções fornece a base para o
controlo da precisão das suas operações, para minimizar o tempo de paragem como o
histórico das acções dos operadores no Unity Pro num arquivo protegido, o perfil do
utilizador e protecção por palavra-chave. [9]
2.3 Placas PCI
2.3.1 PCI-1730
Esta placa é desenvolvida pela Advantech e possui um total de 32 canais de
entrada/saída. Este tipo de placas como foi dito anteriormente necessita de estar
instalado num PC, logo só entram em sistemas que possam e tenham disponibilidade
para a instalação de um PC. Os fabricantes desta placa disponibilizam para além dos
drives para a instalação da placa, um software de monitorização das entradas e saídas, as
saídas podem ser forçadas de forma a que seja possível fazer alguns testes antes de
qualquer programação. Para integrar os sinais recebidos pela placa e os sinais a enviar
pela placa nos softwares de programação, é também disponibilizado um conjunto de
livrarias que tornam o acesso a esses dados mais rápido e simples. [3]
Figura 2-7 : Placa PCI 1730 da Advantech [3]
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
13
Os sinais de saída funcionam entre os 5V e os 40V e os sinais de entrada entre os 5V e os 30V e duas das 16 entradas conseguem desencadear interrupções sendo útil para algumas aplicações.
2.3.2 PCI-1002H
Esta placa PCI da Omega tem a capacidade de adquirir dados a uma frequência de
110KS/s, possui 32 entradas/saídas e um software específico para a sua utilização. È
disponibilizado também um conjunto de DLLs que permitem a inclusão dos valores
medidos em softwares de programação diversos como o Visual Basic para C ou C++ e o
Labview. [10]
Figura 2-8 : Placa PCI-1002H da Omega [10]
Esta placa funciona entre os 5V e os 40V e tem uma precisão nas medições de 0,01% do valor lido.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
14
2.4 Conclusões
Ao longo deste capítulo foi apresentado um conjunto de soluções para aquisição e
controlo de dados, entre PLCs e placas PCI verificou-se algumas diferenças como se
constata na seguinte tabela que relaciona as principais características dos dispositivos.
Tabela 1 : Tabela de características
Fabricante
Frequência
Funcionamento
Nr. de
entradas/saídas
Comunicação
ABB AC 800M
ABB 133MHz 5000 Ethernet,Modbus,
RS232
CS1D
OMRON 50MHz 5000 Ethernet,
Modbus,RS232
Modicon M340 schneider-
electric
8MHz 220 Ethernet,
Modbus,RS232,USB
PCI-1730
Advantech
-
32
-
PCI-1002H
Omega 100KHz 32
-
Com esta pequena análise, verifica-se que os PLCs oferecem uma vasta gama de
módulos de entrada e saída permitindo dar resposta a qualquer requisição por parte do
programador. Por outro lado verifica-se que as placas PCI têm normalmente menos
capacidade de aquisição de dados, no entanto, para sistemas que incluam PCs, estes
dispositivos oferecem um conjunto de facilidades quer na instalação, quer depois na
programação. Com isto, poder-se-á avaliar o CompactRIO e obter-se uma análise mais
completa recorrendo às características que oferece e compará-las com alguns dos
dispositivos que estão no mercado.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
15
2.5 Referências
[1] Francesco Prudente, 2007 “Automação Industrial - PLC: Teoria e Aplicações”
ISBN: 9788521615750
[2] http://industrial.omron.pt/pt/products/catalogue/automation_systems/programma ble_logic_controllers/default.html
[3] http://www.advantech.com.tw/products/PCI-1730/mod_1-2MLH62.aspx
[4] http://library.abb.com/global/scot/scot296.nsf/veritydisplay/8dc6bce5a67698 bfc12 57220007d19e6/$File/3BSE045596_en_AC_800M_Controller_Overview.pdf
[5] http://library.abb.com/global/scot/scot296.nsf/veritydisplay/05a4147e8ce57ddcc 12575710076c099/$File/3BSE039622_C_en_AC800M_for_Compact_Control_Builder_Data_sheet.pdf
[6] http://industrial.omron.pt/pt/products/catalogue/automation_systems/programmabl e_logic_controllers/rack_plc_series/cs1d/default.html
[7] http://industrial.omron.pt/pt/products/catalogue/automation_systems/programmabl e_logic_controllers/rack_plc_series/cs1d/position_control_units/default.html
[8] http://ecatalog.telemecanique.com/default.asp?Lg=en&idFolder= 0B00361F803A56C2
[9] http://www.schneider- electric.com.br/telemecanique/data_sheets/ fiche.htm?id =aut_modiconm340
[10] http://www.omega.com/pptst/OME-PCI-1002.html
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
16
3. HARDWARE
SUMÁRIO
Neste capítulo é apresentado todo o hardware constituinte do protótipo e a forma como
cada dispositivo interage com os outros. È analisado o controlador principal deste
protótipo, o CompactRIO, são vistas algumas das características principais e o que ele
pode oferecer ao programador. São igualmente analisados os módulos que foram
adquiridos para o protótipo e o que eles podem dar à aplicação principal.
3.1 Introdução
3.2 CompactRIO
3.3 Hardware do Protótipo
3.4 Referências
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
17
3.1 Introdução
O protótipo construído tem como objectivo principal testar/avaliar algumas das
capacidades do CompactRIO. Para isso, utilizou-se um eixo accionado por um motor
eléctrico de indução (Figura 3-1), um variador de velocidade e o CompactRIO para
controlar todo o sistema. A malha de controlo é fechada no CompactRIO. O controlo
pode ser efectuado em força ou em deslocamento, existindo para tal respectivamente
uma célula de carga e um encoder acoplado ao eixo mecânico. O CompactRIO, por sua
vez envia um sinal analógico de 0 a 10V para o variador de velocidade que serve como
referência à velocidade a que o motor deve girar.
Figura 3-1 : Eixo comandado pelo motor eléctrico
O PC serve de interface com o utilizador e permite configurar e monitorizar todas as
acções de comando do protótipo obtendo desta forma os resultados pretendidos. Para
além desta tarefa, o PC armazena também os dados dos ensaios realizados permitindo
posteriormente a sua análise.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
18
3.2 CompactRIO
O CompacRIO da
National
Instruments é um
controlador com um
sistema de
aquisição de dados
projectado para
aplicações que
requerem um
processamento em tempo real que pode ser parametrizado através de uma ferramenta
de programação gráfica, o Labview. Ele combina um processador em tempo real
integrado, um chip FPGA e módulos de entrada/saída. O FPGA comunica com o
processador em tempo real através de um bus PCI, cada módulo de entrada/saída
comunica directamente com FPGA de modo a diminuir o tempo entre leituras e
accionamentos de saídas. Os módulos para o CompactRIO podem ser adicionados
conforme os fins a que se propõem as aplicações em Labview. [2]
Figura 3-2 : CompactRIO [1]
Figura 3-3 : Ni CompactRIO control and acquisition system [3]
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
19
O software para o controlo é dividido em blocos (Vi’s) conforme as suas funções e
localização. Estes Vi’s quando localizados no computador têm como principais
objectivos aceder a base de dados buscando informação para a aplicação, guardar
informação em ficheiros e base de dados, providenciar uma interface entre o
utilizador e a máquina e proporcionar um controlo de supervisão. As funções do
controlador em tempo real são essencialmente a interacção com o FPGA
(Configuração, Comunicação de dados e controlo), processamento dos dados,
controlo, introdução de dados e comunicação com o computador. O FPGA tem como
principais funções adquirir os sinais dos módulos de entrada/saída, comunicação com
o barramento PCI, e processamento em baixo nível dos sinais e controlo.
O CompactRIO possui um processador de 400Mhz que permite executar as
aplicações em Tempo Real recorrendo ao sistema operativo Wind River VxWorks.
Usualmente os sistemas em Tempo Real são classificados em relação ao
cumprimento de seus prazos de resposta ao ambiente, os deadlines. [4]
Figura 3-4 : Diferença entre tecnologia de tempo real Hard e Soft [4]
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
20
Os sistemas de tempo real “soft” são sistemas que não respondem imediatamente a
uma perda de um sinal, existindo uma latência entre o início da perda do sinal e o fim
do mesmo. Os sistemas de tempo real “hard”, como o implementado no
CompactRIO, são sistemas que respondem imediatamente a qualquer mudança do
sinal obtendo uma latência nula, essencial para as aplicações que dependam de uma
resposta rápida e precisa que necessite de cumprir os limites de tempo estabelecidos,
um exemplo onde este tipo de sistemas são utilizados é nos airbag dos automóvel,
onde o tempo de resposta ao impacto tem que ser o mais rápido possível para evitar
que o airbag abra tarde de mais. Os sistemas de tempo real “hard” em relação aos
“soft” têm um desempenho uniforme independentemente do número de solicitações e
assegura que todas as metas temporais são cumpridas.
Sistemas operativos como o Microsoft Windows e o MAC OS fornecem uma
excelente plataforma para desenvolvimento e execução de aplicações não críticas de
medição e controlo. Contudo, por serem sistemas operativos projectados para um
propósito geral, eles não são ideais para executar aplicações que necessitem de um
desempenho determinístico ou de um maior tempo sem falhas.
Os sistemas operativos de tempo real são necessários quando o processador está
envolvido em operações como controlo de malha fechada e tomada de decisão em
tempo crítico. Essas aplicações necessitam que sejam tomadas decisões temporizadas
baseadas nos dados recebidos. Por exemplo, um equipamento de entradas e saídas
amostra um sinal de entrada e envia-o directamente para a memória. Então, o
processador deve analisar o sinal e enviar a resposta adequada ao equipamento de
entradas e saídas. Nessa aplicação, o software deve estar envolvido na malha;
portanto, é necessário um sistema operativo de tempo real para garantir uma resposta
dentro de um espaço de tempo fixo.
Os módulos LabVIEW Real-Time são usados para se alcançar uma execução
determinística confiável em hardware dedicado. Caso haja necessidade de um
determinismo maior, o módulo LabVIEW FPGA, combinado com um hardware que
inclua uma tecnologia de entradas e saídas reconfiguráveis (CompactRIO –
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
21
Reconfigurable I/O) consegue-se obter uma resposta de hardware na ordem dos
nanosegundos.
3.2.1 Ligações
O CompactRIO é alimentado através do transformador que é fornecido conjuntamente
com o resto dos equipamentos que fornece 30VDC, o modelo 9074 tem um processador
de 400Mhz, o FPGA tem 2M, tem capacidade para receber 8 módulos de entrada\saída
simultaneamente, tem uma memória DRAM de 128MB, 256 MB de memória interna e
duas entradas Ethernet.
Legendas:
1- Sinais Luminosos
2- Trigger
3- Alimentação
4- Botões de Parametrização
5- Reset
6- Portas Ethernet RJ-45
7- Porta Série RS-232
Para a comunicação de dados entre o CompactRIO e o
computador, foi utilizada a ligação Ethernet pois é a modo de
comunicação mais rápido e eficaz que o CompactRIO
oferece.
Figura 3-5 : Painel do CompactRIO Típico
Figura 3-6 : Cabo RJ-45
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
22
O painel do CompactRIO permite parametrizar alguns aspectos do equipamento, como
permitir que o FPGA, o Real Time ou uma aplicação no computador de iniciar
automaticamente quando o controlador é alimentado e se inicia.
Tabela 2 : Descrição dos botões disponíveis
Designação Função
Safe Mode Quando está OFF, a aplicação Labview Real Time inicia-se
automaticamente.
Console Out Permite fazer comunicação através da porta série
IP Reset Faz o reset do IP do CompactRIO zerando-o.
No App Faz com que se inicie automaticamente uma aplicação.
User1 Botão configurável através do Labview
FPGA Faz com que se inicie automaticamente o FPGA quando se liga o
CRIO.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
23
3.2.2 Módulos de Entrada/Saída Utilizados
O CompactRIO necessita que módulos de
entrada/saída lhes sejam acoplados de forma
a aumentar as suas potencialidades. Os tipos
de módulos incluem entradas e saídas em
tensão e corrente, RTD, acelerómetros,
temporizadores, contadores, geradores de
pulso e relés. Os módulos fazem o
acondicionamento de sinal e permitem a
ligação directa dos sensores aos módulos de
entrada, tendo para isto normalmente uma ligação
á terra para aumentar a imunidade ao ruído.
Estes módulos ligam-se ao CompactRIO directamente ao FPGA aproveitando assim a
menor latência na aquisição de dados.
Figura 3-8 : CompactRIO e os seus módulos instalados
Figura 3-7: Módulos de Entrada/Saída [5]
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
24
Módulos de Entrada Analógica
A gama de Módulos de Entrada
Analógica oferece mais de 8 canais
por módulo e uma resolução situada
entre os 12 e os 24 bits, uma gama de
leituras que vai desde os ± 80mV até
± 60V e uma taxa de amostragem de
600kS/s.
Um exemplo deste tipo de módulos é
o NI 9205 (Figura 3-9) que dispõe de
16 entradas diferenciais analógicas,
16 bits de resolução, uma taxa de
amostragem de 250kS/s e uma gama de leituras situada entre os ±200mV e os ±10V.
Este módulo pode funcionar com um trigger como se verifica na figura 7-2, contém
também um amplificador instrumental de ganho programável, é multiplexado para um
conversor analógico digital de 16 bits e contém protecção contra sobretensões de ±30V.
O NI 9205 para além de permitir
fazer ligações diferenciais, permite
fazer também ligações únicas
(single-ended) aproveitando assim
as 32 entradas disponíveis para
receber esses sinais, este tipo de
ligação reduz o ruído mais
eficazmente que a ligação
diferencial.
Figura 3-9 : NI 9205 [6]
Figura 3-10 : Circuito de Entrada para um Canal Analógico [7]
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
25
Módulos de Saída Digitais
Os módulos de saída digitais oferecem
normalmente 8 saídas digitais, trabalham com
tensões entre os 6V e os 30V, actualiza as suas
saídas a cada 100us e tem protecção contra
curto circuitos e sobretensões.
Na Figura 3-11 está representado o módulo NI
9472 que possui 8 canais de saída, tem ainda
uma taxa de funcionamento de 100us. Este
módulo necessita de um sinal externo para servir de referência para as saídas que
oferece. Todos as saídas têm a mesma referência ao sinal COM. Na figura seguinte
(Figura 3-12) é demonstrado a forma como se fazem as ligações necessárias para o bom
funcionamento do módulo
.
Figura 3-11 : NI 9472 [8]
Figura 3-13 : Circuito de Saída de um canal Figura 3-12: Esquema interno do módulo [8]
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
26
Módulos de Entrada Digital e Contadores/Temporizadores
Estes módulos para além de terem a
função de receber os sinais digitais para
leitura, também podem funcionar como
contadores/temporizadores dos sinais que
recebem.
O módulo ao lado (Figura 3-14) contém 8
canais e podem ler os sinais a uma taxa de
100us. Este módulo tem a desvantagem de
obrigar todos os canais a ter a mesma
função, ou seja, se escolher um canal para
trabalhar como contador, todos os outros canais se tornam contadores.
Na seguinte figura é representado o esquema de ligações que devem ser efectuados no
módulo de entrada digital descrito acima.
Figura 3-14 : Módulo de Entrada Digital NI 9421 [9]
Figura 3-15 : Esquemático das ligações ao Módulo [9]
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
27
Módulos de Saída Analógica
Os módulos de saída analógicos têm dois
tipos de sinais de saída, em corrente e em
tensão. A gama de valores onde trabalham são
±10V na tensão entre 0 e 20mA na corrente,
têm uma taxa de actualização de 100kS/s por
canal, 16bits de resolução e protecção contra
curto circuitos e sobretensões.
Na ao lado (Figura 3-16) está representado o
módulo NI 9263 que foi utilizado. Como se
verifica na figura, este módulo contém 4 canais de saída, tem uma taxa de actualização
de 100kS/s e 16 bis de resolução. Neste módulo, todos os terminais COM estão
internamente ligados a um módulo de terra isolado.
Na em baixo (Figura 3-17), verifica-se que cada canal contém um conversor digital-
analógico e um amplificador obtendo assim o sinal de saída.
\
Figura 3-16 : NI 9263 [10]
Figura 3-17 : Circuito de Saída de um canal [10]
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
28
Módulos de Pontes de Entrada Analógica
Este tipo de módulos fazem o
acondicionamento de sinal de sensores
resistivos que são montados em ponte
completa ou em meia ponte.
Na figura ao lado (Figura 3-18) estão
representados os dois tipos de ligações que
este tipo de módulo oferece. O módulo
testado foi o da direita que necessita de um
cabo específico para fazer as respectivas
ligações que estas pontes necessitam. É possível ligar até quatro sensores em simultâneo
e a tensão externa de referência caso seja necessário.
O sinal lido é obtido a partir das entradas AI+ e AI- (Figura 3-19), a tensão de
alimentação da ponte pode ser parametrizada através do Labview ou a partir de uma
tensão externa como foi referido em cima.
Figura 3-19 : Esquema de Ligações do módulo Ni 9237 [11]
Figura 3-18: Módulo 9237 [11]
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
29
3.3 Hardware do Protótipo
Na figura 3-20 é apresentada a topologia de ligações que o protótipo possui. O
CompactRIO é o cérebro do sistema que recebe os dados respeitantes aos sensores de
medida e actua em conformidade no variador de velocidade. Os dados adquiridos e
transmitidos podem ser monitorizados através do computador.
Figura 3-20 : Diagrama de Ligações do Hardware
Temos então como se verifica na figura acima um conjunto de valores lidos a partir dos
sensores de força e de deslocamento que são enviados para os respectivos módulos do
CompactRIO, neste caso o módulo de entradas digitais para a célula de carga e um
módulo de entradas digitais para fazer a contagem dos pulsos de 24V que são enviados
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
30
pelo encoder conforme seja o movimento da plataforma. Este dados são então lidos e
armazenados em FIFOs para serem enviados para o computador para serem
visualizados pelo utilizador de modo a poder ter uma visão mais completa do
procedimento e são também enviados para os VIs em execução que irão fazer o
processamento e a análise desses dados obtendo assim um controlo mais fino para que a
plataforma tenha o comportamento desejado. Esse controlo é quantificado de 0V a 10V
de modo a que o variador de velocidade perceba esse comando e comande o motor da
forma desejada. A forma como a variável de controlo no CompactRIO é calculada
depende directamente das informações provenientes do computador que as envia pela
porta Ethernet para o CompactRIO.
Na figura seguinte é apresentado o resultado das ligações demonstradas na figura 3-20.
Figura 3-21 : Protótipo
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
31
3.4 Referências
[1] http://www.botmag.com/articles/first_release.shtml
[2] “CompactRIO and LabVIEW Development Fundamentals Course Manual”
September 2008 Edition Part Number 324516C-01
[3] http://www.ni.com/compactrio/whatis.htm
[4] http://www.ni.com/realtime/
[5] http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/14147
[6] http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/14164
[7] http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/202571
[8] http://digital.ni.com/manuals.nsf/websearch/F9DC0E332DB947C78625744E00 75F7B5
[9] http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/14172
[10] http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/14170
[11] http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/202632
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
32
4. SOFTWARE
SUMÁRIO
Neste capítulo são apresentados as pequenas aplicações que serviram de teste para
conhecer melhor as características do CompactRIO e para escolher a melhor forma de
construir o software principal tendo em vista ter as escolhas que mais se adequam ao
tipo de aplicação que seria a aplicação principal. Para isso foi testada a tecnologia
FPGA e a melhor forma de a programar. Para além da tecnologia FPGA, foram também
testadas as interrupções e o Scan Mode.
4.1 Introdução
4.2 Aplicações de teste
4.3 Conclusões
4.4 Referências
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
33
4.1 Introdução
Como já foi referido anteriormente, o CompactRIO possui uma tecnologia FPGA e um
processador em tempo real que vão ser abordados com mais detalhe neste capítulo.
Com o software que é disponibilizado, o Labview, foram construídos algumas
aplicações para testar algumas das características mais relevantes do CompactRIO.
O Labview é a ferramenta de interface entre o computador onde o utilizador pode
manipular os processos a serem executados, com o processador em Tempo Real onde
reside normalmente o cérebro das aplicações e com o FPGA que está normalmente
ligado à aquisição de dados provenientes dos módulos instalados no CompactRIO.
Assim, com o Labview é possível explorar todas as características do CompactRIO.
O Labview nas aplicações em concreto que esta tese aborda trabalhou sobre o sistema
operativo Windows, no entanto poderia de igual forma trabalhar sobre outros sistemas
operativos como o do Mac e Linux.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
34
4.2 Aplicações de Teste
4.2.1 FPGA
Os 40MHz de frequência de funcionamento em FPGA são uma das principais
características do CompactRIO e que o distingue dos restantes dispositivos de controlo.
O FPGA é uma das tecnologias mais recentes para sistemas, oferecendo a possibilidade
de criar lógica digital reconfigurável utilizando linguagens de descrição de hardware.
Com a ajuda do Labview é possível programar em FPGA de forma mais intuitiva. [1]
Figura 4-1 : Exemplo de Programação em FPGA
Uma das desvantagem do FPGA é o tempo que demora a compilar o código, o que torna
desagradável se for preciso mudar algumas coisas no FPGA ou caso se esteja a testar
determinada rotina, isto fará com que a programação em FPGA se torne muito longa
(entre 10 a 15 minutos) em determinadas ocasiões. No entanto o resultado da
programação em FPGA denota várias vantagens que tornam a demora na programação
um mal menor.
A aplicação criada tinha como objectivo testar alguns aspectos na transferência de dados
e verificar as velocidades de processamento que o FPGA tem. A aplicação para testar a
velocidade consistia num conjunto de dados adquiridos dos módulos e armazenados
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
35
fazendo ao mesmo tempo uma contagem dos ciclos executado num determinado espaço
de tempo.
4.2.2 Interrupções
O FPGA tem 32 interrupções lógicas avaliáveis que podem ser parametrizadas
separadamente.
As interrupções nestas aplicações podem enviar “triggers” para a aplicação principal
evitando assim que a aplicação esteja sempre á espera da ocorrência da interrupção,
libertando-a assim para executar outras tarefas. No entanto, caso não seja necessário o
processador para mais nada ou caso a comunicação com o FPGA seja constante, pode
ser usado o polling para detectar as interrupções.
Na figura seguinte é demonstrado um exemplo onde uma vi em FPGA activa a
interrupção e onde a aplicação em RT espera por essa interrupção para actuar. Neste
caso o tempo do ciclo da vi em RT depende directamente do ciclo da aplicação em
FPGA. [2]
Figura 4-2 : Exemplo de uma aplicação usando as interrupções
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
36
Na figura 4-2 está representado uma sequência do programa em FPGA (A) e em tempo
real (B). A ideia é provocar uma interrupção a cada 1 segundo no FPGA e em tempo
real fica o conteúdo a ser executado em cada interrupção. Assim a cada segundo é lida
uma entrada analógica e escrita uma saída analógica, a saída analógica é calculada no
Vi em tempo real tendo como referência a entrada analógica. Os ciclos (1) são
comandados através do utilizador, a seta (2) indica que o Vi em tempo real espera pela
ocorrência daquele grupo em FPGA para que a interrupção se inicie, o símbolo
identificado como (3) indica o que desencadeia a interrupção e a seta (4) indica a forma
como o Vi em FPGA e em tempo real se sincronizam.
4.2.3 Scan Mode
Normalmente as entradas e saídas do
CompactRIO são acedidas
programaticamente através do FPGA e
depois utilizadas pelo RT através do
interface dos vi do FPGA. Com o Scan
Mode é possível aceder aos módulos de
entrada e saída directamente no Labview
RT ou no computador sem programar o
FPGA. Esta ferramenta é útil quando se
necessita de uma programação rápida,
eficaz e onde a frequência de
funcionamento não ultrapasse o 1Khz.
Como se verifica na figura ao lado, esta
ferramenta faz com que se detecte
automaticamente os módulos de entrada e
saída que estão instalados no CompactRIO
Figura 4-3 : Scan Mode detectando os módulos instalados
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
37
dando assim a oportunidade ao programador de usar as entradas/saídas que desejar na
sua programação em RT, deixando para trás toda a programação que seria necessária no
FPGA. [3]
Quando se instala o Scan Mode é instalada também uma palete de funções que ajuda o
programador a ter todas as funcionalidades que normalmente tinha se programasse
através do FPGA, incluindo ferramentas de sincronização, ferramentas de manipulação
de variáveis entre outras.
4.3 Conclusões
Com estes testes verificou-se que a grande vantagem na programação em FPGA é a
proximidade com os módulos de entrada e saída que em conjunto com a sua velocidade
de processamento oferece uma solução eficaz no processamento das rotinas. Verificou-
se ainda que a programação em FPGA não é complexa, no entanto é necessário ter
cuidado na construção do código para a aplicação seja funcional e se tire proveito das
características do FPGA. Com estes testes obteve-se um maior conhecimento na
comunicação de dados e nas suas calibrações, factor muito importante quando se quer
obter resultados com precisões até 16 dígitos. Para isso utiliza-se um tipo de dados que
se denomina por Fixed Point. Com os dados convertidos para este tipo de dados, o
Labview facilita as operações com dados de precisão.
O Scan Mode oferece uma forma rápida de construir uma aplicação simples que
necessite de uma velocidade de processamento relativamente pequena na ordem dos
1KHz. Permite passar por cima do FPGA quando não se necessita de um processamento
no mesmo e apenas a leituras e escrita dos módulos seja necessário. Esta funcionalidade
oferece uma forma de simplificar e acelerar o tempo de programação quando não é
necessário programar em FPGA, ou seja, quando apenas é necessário fazer a leitura e a
escrita nos módulos de entrada/saída.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
38
4.4 Referências
[1] “NI 9205/9206 Calibration Procedure” disponível em http://www.ni.com/compactrio/
“Getting Started with CompactRIO and LabVIEW” disponível em http://www.ni.com/manuals/
“CompactRIO cRIO-9072/3/4” disponível em http://www.ni.com/manuals/
“LabVIEW Real-Time Application Development Course Manual” disponível em http://www.ni.com/manuals/
Nasser Kehtarnavaz, “Digital Signal Processing System Design – Labview-based programming” ISBN: 978-0-12-374490-6
“Labview – FPGA module user manual” disponível em http://www.ni.com/manuals/
“CompactRIO and LabVIEW Development Fundamentals Course Manual” disponível em http://www.ni.com/manuals/
[2] http://zone.ni.com/reference/en-XX/help/371599B-01/lvfpga/interrupt/
http://zone.ni.com/reference/en-XX/help/371599E-01/lvfpga/fpga_synchronization_palette/
http://zone.ni.com/reference/en-XX/help/371653E-01/lvembdialog/interrupt_config_wiz/
http://zone.ni.com/reference/en-XX/help/372459C-01/embsharedvi/ignore_interrupt/
http://zone.ni.com/reference/en-XX/help/371361F-01/lvvisaprop/generic_event_3fff4023/
[3] http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/7338
http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/7694
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
39
5. APLICAÇÃO PRINCIPAL
SUMÁRIO
Neste capítulo é apresentada a aplicação principal que comanda o protótipo e toda a sua
logística. É apresentado no início o fluxo de dados que existe na aplicação e uma
explicação de como funciona cada parte do software bem como as metodologias
seguidas para cada Vi.
Na parte final deste capítulo é apresentado o resultado final da aplicação indicando os
passos necessários para uma utilização prática do software.
5.1 Introdução
5.2 Diagrama do fluxo de dados
5.3 Aquisição
5.4 Comando Manual
5.5 Comando Automático
5.6 Resultado Final
5.7 Referências
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
40
5.1 Introdução
Para testar algumas funcionalidades do
CompactRIO em conjunto com o
Labview, foi feita uma aplicação que
explora algumas características do
mesmo.
O programa tem a função de
monitorizar um eixo controlado por um
motor eléctrico que por sua vez é
controlado por um variador de
velocidade. Este eixo induz uma
determinada força num material e é
visualizada a reacção do material á
força induzida.
È controlada a deslocação e a força que
são aplicadas no material sendo
posteriormente armazenados em
ficheiros para futuras consultas.
O CompactRIO tem a função de
controlar o motor eléctrico através do
variador e de receber todos os sinais
de monitorização que estão envolvidos no processo, nomeadamente o valor do encoder
que mede o deslocamento do eixo e a célula de carga que mede a força que é aplicada
no material. Os sinais de controlo e monitorização são todos adquiridos e fornecidos
através dos módulos de entrada/saída disponíveis.
A aplicação é monitorizada através de um computador local que estando ligado ao
CRIO através da porta ethernet consegue receber os dados do CompactRIO a uma
Figura 5-1 : Aplicação Criada
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
41
velocidade suficientemente grande para dar a possibilidade de se poder monitorizar os
processos que estão a ser executados permitindo controlar o processo.
5.2 Diagrama do Fluxo de Dados
Figura 5-2 : Fluxo de dados entre Vis na Aplicação Principal
A figura 5-2 representa todas as ligações entre os Vis que fazem parte da aplicação cujas ligações irão ser mais detalhadamente analisadas nas páginas seguintes.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
42
5.3 Aquisição
A aquisição dos dados lidos pelos
módulos instalados no CompactRIO
é feita em tempo real através dos
FIFO’s. O vi Aquisição recebe os
dados dos módulos através da
“ponte” que é feita pelo Scan Mode
entre o processador em tempo real e o FPGA e preenche os FIFO’s correspondentes a
cada módulo. A aquisição de dados é feita a uma frequência de 100Hz que corresponde
á frequência máxima que o Labview consegue trabalhar em Scan Mode, servindo assim
de referência para o funcionamento do resto da aplicação para que exista um fluxo de
dados coerente e sem perdas de dados. No entanto foi testado o software com uma
frequência de funcionamento superior e constatou-se que a aplicação funcionava de
forma idêntica, no entanto á medida que se aumentava essa frequência, começou a
notar-se que a aplicação falhava em alguns comandos de vez em quando. Conclui-se
então que a aplicação funciona correctamente se aumentar ligeiramente a frequência
acima dos valores que a Ni indica como correctos, acima desse valor a Ni não garante
que a eficiência seja 100%.
Este Vi para além de preencher os dados no FIFO, possui uma interface com o
utilizador possibilitando que exista uma monitorização dos processos que estão a
decorrer como se verifica na figura seguinte.
Figura 5-3 : Criação de um FIFO
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
43
Figura 5-4 : Monitorização dos processos
Os FIFO’s são posteriormente acedidos pelos vi´s que processam essa informação e
actuam em conformidade.
Os dados lidos dos módulos são introduzidos num array e posteriormente inseridos no
FIFO. Os FIFO’s têm que ter apenas um tipo de dados, no entanto, existe um leque
largo de tipos de dados que podem almejar.
Figura 5-5 : Criação do array de dados
Na figura 5-14 são inseridos num array os dados lidos das entradas dos módulos que
funcionam como contadores.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
44
5.4 Comando Manual
No comando manual é possível
fazer um controlo da velocidade do
eixo manualmente, assim o
utilizador poderá posicionar o eixo
como quiser preparando-o para um
controlo automático ou fazer
manualmente os testes nos produtos
que necessitar.
Este Vi é originário do computador
e resumidamente faz a
parametrização dos dados mais importantes para iniciar o deslocamento do eixo. O
accionamento do eixo e a escolha da sua velocidade são feitos também neste Vi, depois
de accionada a movimentação do eixo neste Vi, imediatamente a seguir este acciona um
Vi no processador em tempo real que por sua vez acciona um Vi que controla a saída
dos valores do módulo que controla o comando do eixo e um outro Vi que trata da
monitorização do procedimento.
No Vi que controla o comando do eixo, é feito o cálculo do parâmetro de saída de forma
a manter a velocidade desejada. Para isso é necessário fazer uma análise do
deslocamento feito num determinado espaço de tempo e conforme a velocidade
desejada, é feito um acondicionamento do valor de controlo do eixo a cada ciclo de
relógio. Os valores analisados são provenientes de FIFO’s que contêm todos os dados
registados nos diversos módulos instalados. Estes FIFO’s são preenchidos no Vi
aquisição como foi visto em cima.
Figura 5-6 : Excerto do Vi do Comando Manual no Computador
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
45
Figura 5-7 : Leitura dos dados de um FIFO
5.5 Comando Automático
O controlo automático dá ao utilizador a opção de escolher um determinado
procedimento de teste pré-programado e fazer correr esse procedimento de forma
autónomo podendo apenas o utilizador interferir no ensaio parando-o. O utilizador neste
tipo de comando terá primeiramente de criar um procedimento, caso ele não exista,
configura-lo de forma a satisfazer os seus objectivos e guarda-lo. Um ficheiro será
criado no disco do computador com toda a informação necessária para uma posterior
utilização do mesmo. As opções disponíveis para o utilizador vão desde o tipo de
procedimento (constante ou linear) até aos valores que servem de limite ou parâmetro
de terminação do procedimento.
Figura 5-8 : Obtenção dos parâmetros de um determinado Procedimento
Este Vi de pré selecção e monitorização do procedimento reside no computador local.
Depois de escolhido o tipo de procedimento e o procedimento específico que deseja
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
46
executar o utilizador apenas terá que carregar no botão de início do procedimento e o
procedimento iniciar-se-á. O utilizador nesta altura poderá também observar o estado e
seguimento do procedimento através do Vi de monitorização que é o mesmo que o Vi
de aquisição que é executado em tempo real, no respectivo processador, pois só num
sistema de tempo real se poderia ter uma monitorização sem problemas de actualização
e atrasos como seria susceptível se estivesse no computador local sujeito a qualquer
falha ou erro do computador.
Figura 5-9 : Ecrã do Comando Automático
Ao iniciar o teste, o Vi da figura anterior (Figura 3-14) irá enviar um comando ao Vi
principal do processador que trabalha em tempo real e este irá iniciar o Vi de aquisição
de dados que servirá também para demonstrar em tempo real o desenrolar da aplicação,
para além deste Vi, é iniciado o Vi correspondente ao tipo de procedimento
seleccionado e o Vi que recebe os dados necessários para fazer um controlo PID de
forma a obter o valor óptimo de actuação.
No Vi correspondente aos procedimentos são analisados os dados que estavam no
ficheiro do procedimento aberto no Vi do computador e agora guardados numa variável
global e consoante esses valores e os que estão actualmente a ser lidos nos módulos, são
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
47
enviados através de FIFO’s todos os dados necessários para executar o controlo PID
para o Vi de controlo do valor de actuação.
Figura 5-10 : Leitura dos parâmetros para o Controlo PID
5.6 Resultado Final
Depois de explicado o software criado, irá
ser demonstrado como se utiliza o software
de maneira a concluir a percepção sobre a
aplicação criada.
Quando se inicia a aplicação é apresentado
o menu principal (Figura 5-11) onde é
possível escolher o que se deseja fazer. È
possível escolher entre fazer um teste
utilizando o controlo automático, é
possível fazer um controlo manual sobre o
eixo e é possível também criar ou
modificar um procedimento para
posteriormente o utilizar no controlo
automático.
Figura 5-11 : Menu Principal
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
48
Caso se escolha no menu anterior o
procedimento automático, aparecerá esta
janela representada na figura 5-12 que dá a
possibilidade ao utilizador de escolher o tipo
de procedimento e de seguida é possível ver
a lista desse tipo de procedimento que estão
criados e armazenados em ficheiro.
Quando as escolhas estão seleccionadas
carrega-se no botão “Iniciar Teste” e o
procedimento é iniciado aparecendo a luz
verde acesa.
Quando se inicia o procedimento é
mostrado também uma janela com um
gráfico (figura 5-13 ) que permite ao utilizador monitorizar os procedimentos.
Figura 5-13 : Monitorização dos procedimentos
Figura 5-12 : Controlo Automático
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
49
Caso não se escolha a opção do comando manual irá
aparecer uma janela como a representada na figura 5-14
onde é possível ao utilizador escolher o sentido e a
velocidade do protótipo de forma a pode-lo posicionar
correctamente.
Por fim, caso se esteja no menu principal e se escolha a
criação de um procedimento, aparecerá a janela da figura
5-15 onde é possível escolher o canal que irá servir de
referência para o controlo do protótipo. É necessário
escolher os valores de fim do procedimento, que poderá
ser entre o valor de tempo do procedimento ou o valor de
um transdutor de medida instalado no CompactRIO.
Figura 5-14 : Comando Manual
Figura 5-15 :Configuração do procedimento
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
50
6. CONCLUSÕES E TRABALHO FUTURO
SUMÁRIO
Neste capítulo é feita a conclusão do trabalho realizado e dadas umas ideias para
melhorar a aplicação criada e a análise feita ao CompactRIO.
6.1 Conclusões
6.2 Trabalho Futuro
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
51
6.1 Conclusões
Este trabalho teve uma série de etapas que se demonstraram essenciais para a obtenção
dos resultados obtidos.
Numa primeira fase foi feito um estudo aprofundado sobre a linguagem de programação
que iria ser utilizada e que até então não tinha sido muito estudada e praticada. Assim,
foi feita uma primeira introdução ao Labview fazendo pequenos programas para ganhar
a sensibilidade necessária para poder criar no futuro uma aplicação mais elaborada e
completa explorando as características do CompactRIO. Foi feito um pequeno programa
que explorava a manipulação de ficheiros de texto e excel, adicionando e eliminando
registos, criando e editando ficheiros em diversas localizações de forma a poder
responder a futuras necessidades no programa principal.
Em Labview foi estudado também a forma como se criavam aplicações visuais com os
elementos mais intuitivos para uma fácil navegação e introdução dos dados no software.
A comunicação entre diversos vi’s alojados no computador local foi igualmente testada
verificando-se que a melhor forma de comunicação entre vi´s seria através de FIFO’s.
Os FIFO’s conseguem uma taxa de fiabilidade muito superior em relação, por exemplo
às variáveis globais, pois no caso das variáveis globais, é preciso ter o cuidado de
sincronizar muito bem o acesso a essa variável pois caso contrário poderia existir uma
escrita e uma leitura da mesma variável ao mesmo tempo em vi’s diferentes dando
origem a perdas de dados e a falhas no software. Em relação aos FIFO’s é necessário ter
em atenção que a taxa de incrementação de dados seja igual ou superior á taxa de leitura
de dados provenientes dos FIFO’s. Outros aspectos que foram vistos na primeira análise
ao Labview foram o controlo de tempo de ciclos e a manipulação de dados em arrays
que iriam ser necessários no futuro.
Após uma primeira análise do modo de programação no labview, foi feito um primeiro
contacto com o CompactRIO. Começou-se por compreender como seria a interacção do
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
52
Labview com o CompactRIO, nomeadamente como seria a utilização dos recursos
disponíveis através do Labview como o processador em tempo real e o FPGA.
Foi adquirido um conjunto de sensores como LDT’s, LVDT’s, células de carga e
encoders para ter-se a possibilidade de testar os módulos instalados no CompactRIO.
Esta etapa fez com que fosse necessário um grande conhecimento no que toca a
medições, manipulação e calibração de dados provenientes das medições dos módulos
com grande precisão no Labview, concluindo-se que o Labview oferece um conjunto de
ferramentas úteis no que toca a valores de precisão. Com isto obteve-se um bom
conhecimento dos módulos disponíveis para análise tanto a nível de ligações dos
sensores aos módulos como também na parametrização dos módulos no Labview. O
Labview permite configurar o comportamento dos módulos na leitura dos dados
provenientes dos sensores, nomeadamente no tipo de dados a ser lido e no modo de
funcionamento do módulo. Esta etapa fez com que se criasse várias pequenas aplicações
que explorassem as várias características que os diversos módulos ofereciam, ajudando
a obter um conhecimento mais aprofundado do Labview e do CompactRIO.
Para que se pudesse utilizar os módulos instalados foi necessário instalar o
CompactRIO no computador local configurando a sua comunicação com o computador
local e instalando todos os diversos softwares necessários para um funcionamento e
comportamento correcto do CompactRIO. Para isso foi utilizado o MAX (Measurement
& Automation) que basicamente permite para além de configurar a ligação do
CompactRIO e o próprio CompactRIO, permite visualizar em tempo real tudo o que se
passa no CompactRIO e nos módulos instalados como por exemplo os valores lidos nos
diversos módulos.
Após esta etapa virou-se para as capacidades do CompactRIO, nomeadamente a
comunicação entre plataformas, ou seja, comunicação de dados entre o computador, o
processador em tempo real e o FPGA.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
53
O FPGA tendo um papel importante na aquisição e manipulação dos dados torna-se no
elemento mais importante no controlo de sistemas. Aproveitando as potencialidades do
FPGA e sabendo que consegue aceder directamente aos módulos de medida, é possível
obter desempenhos na leitura e no controlo dos módulos bastante satisfatórios.
Tendo isto em vista, foram feitos programas que visavam estas características e onde se
denotava a melhor forma de comunicação de dados entre os diferentes locais. Para além
disso foi possível constatar as melhore formas de programar em tempo real e em FPGA
tendo sempre em atenção as frequências de funcionamento e o controlo de acesso aos
dados transmitidos. Para além disso foi também verificado o funcionamento das
interrupções no Labview e todo o mecanismo necessário para que funcione de forma
determinística.
Após estas análises e testes foi feito um software que serve de teste para avaliar a
capacidade e a facilidade de implementação de sistemas de controlo e monitorização do
Labview em conjunto com o CompactRIO. Para que o teste fosse mais real foi adquirida
uma plataforma de teste que tem acoplado um conjunto de sensores e é comandada a
partir de comandos digitais e analógicos permitindo assim que o CompactRIO fosse
testado no controlo de sistemas. Este software permite ao utilizador a criação de sessões
que posteriormente pode executar e monitorizar o teste através do Labview. O software
permite controlar a plataforma de forma manual permitindo que seja possível posicioná-
la de forma precisa e fácil pelo utilizador. Com este software verificou-se que o
Labview em conjunto com o CompactRIO conseguem proporcionar uma ferramenta
completa e de fácil parametrização e programação no controlo de sistemas. È possível
criar ambientes intuitivos para a utilização do sistema por parte dos utilizadores, criar
lógicas complexas, manipulação de dados, criação de registos, comunicação com o
exterior e monitorizações de dados que são aspectos importantes na criação de softwares
que controlam os mais diversos sistemas que necessitam de aquisição de dados para
criar o comando ideal para o sistema.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
54
6.2 Trabalho Futuro
Após uma avaliação sobre o CompactRIO, o que seria interessante fazer, seria
introduzir o CompactRIO numa aplicação real e exigente como por exemplo uma
máquina de ensaios triaxias, onde os níveis de precisão e a velocidade de aquisição dos
dados seriam muito elevados proporcionando assim a oportunidade de ver o
CompactRIO a trabalhar numa aplicação útil para obter um determinado objectivo.
Outro aspecto que seria interessante explorar, seria a avaliação dos restantes módulos
que estão disponíveis para trabalhar em conjunto com o CompactRIO obtendo-se assim
uma apreciação global de todos os módulos que podem ser introduzidos no
CompactRIO.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
55
BIBLIOGRAFIA
1. Mihura, Bruce - LabVIEW for data acquisition.
Prentice Hall PTR, 2001. ISBN: 0-13-015362-1
2. Wells, Lisa K. - The labview student edition : user’s guide
Prentice Hall, 1995. ISBN: 0-13-210683-3
3. Johnson, Gary W. - LabView graphical programming : practical applications in instrumentation and control ISBN 0-07-137001-3
4. Bitter, Rick - LabVIEW : advanced programming techniques ISBN 0-8493-2049-6
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
56
ANEXOS
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
57
Anexo I - Variador de Velocidade
O variador de velocidade utilizado neste projecto para controlar a velocidade do motor
foi um Sysdrive 3G3MV da Omron.
As principais características do variador são:
- Têm a possibilidade de realizar um controlo vectorial malha aberto.
- Curva V/f. Possibilidade de criar curva V/f à medida.
- A frequência máxima de portadora é de 10KHz .
- Capacidade de sobrecarga de 150%.
- Possibilidade de seleccionar a referência de frequência com potenciómetro.
- Entradas de referência de frequência de 4 a 20 mA e de 0 a 20 mA.
- Existe uma entrada de referência de frequência através de uma série de impulsos.
- Número de saídas multifunção (2 fotoacopladas e 2 por contacto).
- Número de entradas multifunção (num total de 7).
Figura 7-1 : Aspecto Externo do Variador de Velocidade
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
58
- Selecção multi-velocidade: possibilidade de seleccionar até 16 patamares de
velocidade.
- Curva de aceleração “S”.
- Comandos UP/DOWN com memória (elimina problemas perante falhas de
alimentação).
- Módulos opcionais de comunicação: Fieldbus, Modbus, Profibus D.P., Devicenet,
Canbus.
De seguida mostra-se o bloco de terminais de controlo onde se podem ligar os sinais
de controlo.
Figura 7-2 : Terminais de Controlo do variador
Os terminais de entrada multifunção (S1...S7 e comum SC) neste variador dispõem até
7 entradas de contacto multifunção. Nos terminais de comunicação MODBUS (R+, R-,
S+, S-) pode-se realizar dois tipos de comunicação: em RS-422 (a quatro fios) ou em
RS-485 (a dois fios). A máxima velocidade de transmissão é de 19.2 kbps.
Os terminais de saída multifunção (MA, MB e comum MC são saídas por contacto / P1,
P2 e PC são saídas fotoacopladas) são saídas por contacto. Tal como as entradas
multifunções, pode-se seleccionar a sua função através de constantes internas. Os
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
59
terminais de saída analógica (AM e comum AC) têm uma gama de 0 a 10V. Também é
possível seleccionar saída em corrente.
Os terminais de entrada analógica (FS, FR e comum FC) são configuráveis através de
um switch para permitir realizar um controlo por tensão ou por corrente (0...10VDC ou
4...20mA ou 0...20mA).
Os terminais RP e comum FC permitem realizar um controlo da referência de
frequência através da introdução de uma série de impulsos, cuja frequência pode oscilar
entre 0 e 30KHz.
O SW1 é um comutador que terá de ser alterado de acordo com a polaridade do sinal de
entrada (S1...S7). O SW2 é formado por dois comutadores, o superior serve para
seleccionar a resistência de conclusão para comunicações e o comutador inferior para
seleccionar se a entrada de referência analógica se realiza por tensão ou por corrente.
Na figura seguinte pode-se ver o aspecto da consola digital que tem incorporado o
potenciómetro para a selecção da frequência de referência.
Figura 7-3 : Consola Digital do Variador
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
60
A principal característica deste operador, para além do já mencionado potenciómetro, é
a possibilidade de monitorização de uma série de constantes (U-01...U-15) e de poder
fazer a selecção de modo LOCAL/REMOTO para o comando RUN.
A função do DSPL é permitir deslocar-se pelas distintas funções que compõem a
consola digital. Assim, premindo sucessivamente este botão visualizamos o FREF que
nos mostra a referência de frequência, o FOUT que mostra a frequência de saída, o
IOUT que mostra no display a corrente de saída, o MNTR que tem a função de
monitorização, o F/R que é o comando de marcha directa e inversa, o LO/RE que faz a
selecção local ou remoto e o PRGM onde se acede às constantes internas do variador.
Para o Modo LOCAL encontra-se um led PRGM que quando seleccionado permite
aceder aos parâmetros internos do variador de velocidade, permitindo assim configurar
o seu funcionamento como desejado.
• Tempo de Aceleração – Nessa mesma consola seleccionando o número n019 do
parâmetro podemos definir qual o tempo de aceleração do motor, ou seja quanto tempo
demora a atingir a sua velocidade máxima.
• Tempo de Desaceleração – Da mesma forma que o anterior mas desta feita
seleccionando a opção n020. De verificar que ao desacelerar o motor mantém a força.
• Frequência de Referência – No mesmo local da consola mas seleccionando o
parâmetro n011 pode-se definir qual o valor máximo da frequência de saída. Se se
pretender diminuir essa frequência basta utilizar o potenciómetro existente na consola
para o efeito.
• Visualização no Display – A partir do display da consola é possível monitorizar
várias grandezas desde a corrente, a tensão, a frequência entre outros. Esta
monitorização é feita seleccionando o Led MNTR.
O modo REMOTE é seleccionado alterando na consola o led Lo/Re de “Lo” para “Re”,
fazendo assim com que o controlo do motor seja feito a partir de sinais externos que
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
61
entram a partir de uns terminais de controlo existentes na consola. A seguir é
demonstrado um exemplo de parametrização.
• Selecção de como arrancar o motor: colocar no parâmetro n003 “1” para que o
variador seja actuado a partir dos terminais de controlo.
• Selecção da referência da frequência: colocar no parâmetro n004 “2” para que a
frequência de referência seja controlada através de tensão a partir de uma fonte externa,
variando apenas entre 0 a 10V.
• Selecção de timeover: no parâmetro n151 colocar “4” para desactivar o timeover.
• Selecção das unidades de referência da frequência: coloca-se “0” ou “1”
dependendo de quanto se quer variar a frequência em relação à tensão aplicada.
• Definir entrada multifunção: colocando no parâmetro n050 a “1” n051 a “2” e n052
a “3” definine-se S1 para Run directo e S2 para Run inverso.
Para fazer girar o motor liga-se S1 a 5 V não esquecendo de ligar SC à massa. Outra
forma de fazer girar o motor é fazendo um shunt de S1 ou S2 a SC.
A frequência de referência também pode ser ajustada sem a utilização da fonte externa
ligando um potenciómetro aos terminais FR, FS e FC utilizando a alimentação interna
para fornecer a tensão necessária para o ajuste da frequência de referência. Para que isto
funcione é necessário alterar alguns parâmetros sendo estes o n077 e n078 colocando-os
a “3” e “0” respectivamente.
Para terminar a análise ao variador é mostrado na figura seguinte o método de ligação
normal do variador, onde se pode verificar como são alguns terminais.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
62
Figura 7-4: Método de Ligação Standard
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
63
Anexo II – Sensores
Célula de carga
A célula de carga tem como função medir a força sobre um objecto. Esta dá-nos a força
em função da tensão. A célula de carga apresenta no seu interior uma ponte de
wheastone que permite esta relação entre tensão e força o que permite que a aplicação
controlar o movimento do eixo até atingir o seu objectivo de força.
Na figura seguinte é apresentada a célula de carga utilizada.
Figura 7-5 : Célula de carga
De seguida são mostrados os resultados dos testes que se fizeram para se obter uma
característica da célula.
peso(kg) medida(v)
0 0,000001
20 0,0000027
50 0,000006
70 0,0000078
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
64
100 0,0000105
120 0,0000128 Figura 7-6 : Testes com a Célula de Carga
Com estes valores é possível tirar uma relação entre o peso e a medição de forma a dar á
aplicação o poder de fazer a conversão correctamente e de forma precisa.
As principais características da célula de carga estão na seguinte tabela discriminadas.
Capacidade Máxima (kg) 500
Classe de Precisão C
Número Máximo de Intervalos de Verificação 3000
Valor Mínimo do Intervalo de Verificação (Kg) 0,042
Relação do Sinal de Saída (mV/V) 2
Impedância de Entrada (Ohm) 350
Alimentação (AC ou DC) V 5-15
Comprimento do Cabo (m) 5 Figura 7-7 : Características da Célula De Carga
Encoder
O encoder utilizado é da Omron com a referência
E6B2-CWZ6C tem a função de contar a distância
que o eixo percorre. Para isso, envia 1000 pulsos
por cada centímetro que o eixo se desloque. Tem
uma frequência de funcionamento de 100kHz,
contendo uma saída NPN em colector aberto e
funciona com uma alimentação entre os 5 e os Figura 7-8 : Encoder Utilizado
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
65
24V. Embora não seja o método de medição mais preciso e eficaz, consegue responder
às exigências do sistema sem falhas enviando pulsos que posteriormente são contados
por um módulo do CRIO e enviados para a aplicação. A aplicação tem que ter o poder
de saber quando deve zerar a contagem de modo a saber onde a plataforma está e para
onde se move. Para isso contém uma série de procedimentos que permitem á aplicação
não perder o controlo sobre a contagem dos pulsos.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
66
LDT
Foram testados alguns sensores de medida para potenciais ferramentas de medição da
plataforma entre os quais os LDT e os LVDT.
LDT (Local deformation transducers)
LDT (Local Deformation Transducers) é
um transdutor de deslocamento do tipo
resistivo, é constituído por uma tira
delgada e comprida de bronze e fósforo,
sendo a meio da tira colocada uma ponte
de Wheatstone como se verifica na figura
ao lado.
As deformações aplicadas aos provetes
causam deslocamentos relativos dos pontos de fixação da tira e desta forma o sinal de
saída relaciona-se com a deformação do provete através de uma função polinomial de 2º
grau. Algumas das muitas vantagens destes transdutores são a sua simplicidade, o seu
baixo custo e a facilidade de fixação ao provete.
.
LVDT
LVDT (Linear variable differential transformer)
O LVDT é um transdutor de deslocamento linear que funciona através do princípio da
indutância mútua. Este tipo de transdutor de deslocamento consiste em três
enrolamentos, um primário e dois secundários equipados com um núcleo móvel de
elevada permeabilidade magnética. Ao aplicar-se uma tensão no enrolamento primário
este induz uma tensão nos enrolamentos secundários e o sinal eléctrico produzido é
proporcional à posição relativa que o núcleo ocupa nos enrolamentos. A tensão induzida
Figura 7-9 : LDT
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
67
nos enrolamentos secundários é relacionada directamente com a deformação sofrida
pelo provete, através de uma relação linear.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
68
Anexo III - Tempo Real
No Labview, para se introduzir um Vi ao projecto que tire proveito das potencialidades
do processador em Tempo Real, é necessário fazer um clique com o botão direito do
rato sobre o nome do dispositivo que alberga esse processador, neste caso o CRIO, e
seguir o indica na seguinte figura.
Figura 7-10 : Adição ao Projecto de um VI baseado em RT
O processador baseado em tempo real consegue executar dois ou mais ciclos, um em
tempo crítico para pontos de controlo, processamento de sinal, análise e tomada de
decisões e um ou mais ciclos de prioridade normal para interface com o utilizador ou
comunicação série/ethernet. O ciclo em tempo crítico tem a maior prioridade, logo os
ciclos de menor prioridade só são executados quando o ciclo de maior prioridade está a
aguardar algum chamamento.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
69
Figura 7-11 : Ciclo de tempo em RT
Na Figura 7-11 está representado um ciclo de tempo em RT, é possível escolher o
período de funcionamento, a prioridade e a condição do fim do ciclo.
Dentro deste ciclo é construído todo o processamento a ser executado de forma
determinística, são processados os valores lidos pelo FPGA dos módulos de
entrada/saída, é feita a comunicação entre o RT e o FPGA e entre o RT e o computador,
onde normalmente estão os Vi’s de interface com o utilizador.
Figura 7-12 : Interface entre o RT e o FPGA
Na figura acima, está representada a palete com os instrumentos que permitem ao
processador RT comunicar com o FPGA, como por exemplo, abrir um Vi do FPGA,
invocar um método entre outras funcionalidades.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
70
Anexo IV - FPGA
Com o sistema embebido FPGA é possível configurar os tempos de aquisição de sinais,
fazer a sua sincronização, controlo e processamento. Os ciclos criados no FPGA podem
ter frequência até 400Mhz, o que torna a aplicação capaz de responder à maioria das
exigências.
Figura 7-13 : Representação da lógica FPGA
A figura acima representada, mostra como o chip FPGA interage com o que o envolve.
O chip está directamente ligado ao controlador em RT e aos módulos de entrada/saída
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
71
que por sua vez possuem um sistema de conectividade, um acondicionamento do sinal e
um conversor para as grandezas que opera.
Os vi’s do FPGA são convertidos para um código VHDL, depois esse código é
optimizado, sintetizado e incluído num circuito de hardware.
A criação de Vi’s para o FPGA é feita da mesma forma que para o controlador em RT,
apenas muda o local onde se clica, neste caso no “FPGA target”.
Um exemplo do código que pode ser construído no FPGA está na figura seguinte.
Figura 7-14 : Exemplo de código no FPGA
Para se testar o código feito sem ter que se esperar os vários minutos que a compilação
do código em Labview demora para correr no chip FPGA, foi criada uma ferramenta
que possibilita ao programador verificar o código realizado sem ser preciso passar esse
mesmo código para o chip FPGA.
Essa ferramenta corre o código no computador e simula todos os sinais de entrada e
saída. Esses sinais são gerados aleatoriamente ou podem ser obtido directamente do
FPGA através de um vi pré-compilado que assegura a leitura e a escrita dos módulos de
entrada/saída.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
72
Esta opção pode ser acedida através das propriedades do FPGA no Labview onde irá a
aparecer uma janela idêntica á figura seguinte.
Figura 7-15 : Propriedades do FPGA no Labview
Outra ferramenta útil quando se usa o FPGA é ter um modo de monitorização directa
com o FPGA, para isso existe o painel frontal interactivo de comunicação que
possibilita ao utilizador ter um vi a ser executado no chip FPGA e poder monitorizar
esse vi através de outro que é executado no computador local, como se verifica na figura
seguinte.
Figura 7-16 : Painel Frontal Interactivo de Comunicação
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
73
Na criação de um projecto aparecerá uma janela que irá procurar todos os dispositivos
compatíveis com o FPGA como se vê na figura seguinte.
Figura 7-17 : Procura de dispositivos ligados ao computador
Depois de detectado, o Labview procura pelos módulos instalados no CRIO para que o
utilizador verifique se tem todo o sistema bem instalado e não existe nenhuma anomalia
na instalação e comunicação dos módulos.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
74
Figura 7-18 : Componentes instalados no CRIO
De seguida é apresentado um utilitário que ajuda o programador a escolher as opções
mais básicas de funcionamento do FPGA e criação de vi’s. Entre as opções mais
importantes estão o tipo de comunicação de dados. Os vi’s podem utilizar o “target-
scoped” que se baseia em transmissão de dados entre vi’s do FPGA, ou seja, a
informação é transmitida entre loops de forma sequencial (FIFO’s). Os FIFO’s que se
baseiam em DMA (direct memory access) são utilizados para transmitir informação
entre os vi’s do FPGA e os do computador (host).
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
75
Figura 7-19 : Loop de 40 MHz
A figura 7-19 mostra um loop simples de 40MHz do FPGA a ser criado. Numa fase
inicial são criados os ficheiros intermédios que auxiliam a execução do vi e
posteriormente é compilado o código em VHDL, esta compilação normalmente demora
cerca de 15 minutos a ser concluída dependendo da complexidade do código criado.
Figura 7-20 : Compilação
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
76
Anexo V - Configuração
Para configurar o hardware e o software do CompactRIO, para criar e editar canais,
interfaces e escalas, para fazer actualizações dos softwares é necessário utilizar um
software específico, o “Measurement & Automation Explorer”, normalmente
denominado por MAX.
Figura 7-21 : Measurement & Automation Explorer
Através deste software é possível configurar o endereço IP do CompactRIO dando
assim a possibilidade de comunicação Ethernet entre um computador e o CompactRIO
através de um cabo Ethernet cruzado.
Após uma configuração correcta, é possível identificar todos os dispositivos que estão
ligados ao computador bem como os softwares instalados nesses mesmos dispositivos.
Universidade do Minho Avaliação e aplicação do CompactRIO no controlo de sistemas
77
Como se verifica na seguinte figura, este software permite escolher as versões de
software mais adequados e recentes para instalação. Como existe uma vasta lista de
software e versões de software para o compactRIO, este software oferece a
possibilidade de desinstalar e instalar todos os softwares instalados.
Figura 7-22 : Software instalado no CompactRIO
top related