RIO架構中的FPGA硬件應用與案例分析

你曾經使用過的傳統PLC有沒有這樣的情況：控制循環運行得不夠快，或者想自定義對執行器和傳感器的數字接口幾乎也是不可能的事？NI可編程自動化控制器如CompactRIO的核心中創新地加入現場可編程門陣列芯片能夠同時滿足這些要求，甚至做得更好。

FPGA可編程芯片具有高可靠性并且可實現硬件自定義

可編程邏輯控制器（PLC）是工業過程控制和自動化應用的核心。它們具有低成本高可靠性和高易用性的特點，已經被多年來的成功應用所證明。它們分離的模擬和數字I/O特性以及數百赫茲的閉環控制能力滿足了大量應用的需要。但遺憾的是并非所有的應用都很容易在這些限制內實現。很多新的機械制造方法需要帶有革新架構的更高效的控制器。NI的CompactRIO作為PAC將計算機實時計算能力與現場可編程門陣列（FPGA）的可靠性和靈活性結合起來。RIO架構的FPGA部分使其比起傳統控制系統具有三大核心優勢：高性能并行處理，靈活的硬件自定義和可靠的硬件邏輯。

圖一 . 你可以對CompactRIO核心中的FPGA進行自定義邏輯和算法的編程

運行高級算法，如無刷直流電機磁場定向控制（FOC），能夠減少電力消耗、延長部件壽命。這些控制算法的優點是可以使得機器更加高效，但是通常這些算法超出了PLC的計算能力。例如FOC控制器必須以10到100kHz的速率計算矢量控制算法。與控制算法并行的其他的知識產權（IP）模塊如高速PWM輸出需要在不影響控制算法定時的條件下執行。FPGA固有的并行執行能力，使其在以高達數百kHz的循環頻率完成控制算法的同時，仍然有空間可以處理多軸控制算法、與人機界面（HMI）進行數據通信或者與主微處理器交互。另外，因為FPGA的可重配置特性，你可以隨時調整控制算法。

圖二. 當你直接將代碼部署到CompactRIO上的 FPGA時你可以將循環速率提升到100kHz以上

高級、高速的控制算法并非是令您考慮給PLC系統增加一塊基于FPGA的可編程自動化控制器（PAC）的唯一原因。你還可以使用可編程FPGA來自定義定時或者觸發邏輯乃至與幾乎任一款傳感器和執行器的通信協議。例如對于旋轉機械，你可以通過監測和分析機器部件自動振動的幅值和頻率來判別軸承和齒輪以及其它機械零部件的健康情況。因為CompactRIO上的FPGA頗具策略地安置于I/O模塊和高層實時控制器之間，它使得數據簡化成為可能，并且FPGA對獲得的I/O數據重采樣、濾波和預處理的工作使得處理器的負擔大大減輕。FPGA還能夠滿足任一款傳感器同可編程自動化控制器（PAC）自定義數字通信協議的需求。

圖三. 美國國家儀器為內置數據分析和信號處理提供了數百個處理模塊?；贔PGA的分析有很好的確定性，它使得實時處理器能夠更多地來完成更高級別的任務，比如數據存儲和通信。

最后，對FPGA的邏輯編程直接編譯成硬件電路，它擁有與控制系統直接相連的物理邏輯門，因此十分可靠。FPGA不會受到內存泄露、多線程優先級倒置以及其他問題的影響，而基于操作系統的控制器一直受到這些問題的困擾。如果你的安全邏輯或者激勵/響應邏輯需要亞微秒級的響應時間，FPGA將是一個理想的選擇。

案例分析：使用CompactRIO確保產品產量和焊接質量的提升
玻利維亞的CL咨詢私人有限責任公司（簡稱CL咨詢公司）需要幫助歐洲的舊軋鋼機改進生產過程，避免生產線起點處的兩張鋼板焊接時發生斷裂。成功焊接能夠保證生產過程的連續，而一旦發生焊接故障將導致在軋鋼機內的鋼板發生斷裂，就需要清理機內斷帶、重新卷線并給機器重新送料，這能導致最長72小時的停工。毋庸贅述，自動化焊接過程的質量對軋鋼機的總體效率十分關鍵。

圖四. 采用LabVIEW和CompactRIOCL咨詢公司可以對板材焊接過程進行更優的控制，從而提高了軋鋼機的產量

CL咨詢公司選擇采用CompactRIO作為焊接控制器。他們采用FPGA來實現對鋼板電阻焊機和液壓夾具的快速控制。電焊機的電流也需要與電網同步，這樣電焊機就可以只在輸入功率波形過零時刻開啟和關閉，否則半導體閘流管可能會損壞，電網也會受到影響。采用FPGA后，CL咨詢公司利用基于FPGA的濾波器對公司電網出現的輸入電力信號中的高頻諧振和干擾進行濾除，可以將電焊機與準確的轉換時間同步在10ns以內。

總的來說，來自C L 咨詢公司的新控制系統使用CompactRIO能夠將舊工廠鋼材焊接斷裂事故的發生率從2%減少大約0.05%，顯著提高了產品的產量。

如何改進你的PLC系統

CompactRIO控制系統的FPGA核心通過并行執行、靈活的硬件自定義以及可靠的硬件邏輯定義提供了先進的控制性能。