Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de …intranet.dei.uminho.pt/gdmi/galeria/temas/pdf/42987.pdf · 2009-11-24 · Avaliação e aplicação do CompactRIO no

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


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


v

São fúteis e cheias de erros as ciências que

não nasceram da experimentação, mãe de

todo o conhecimento.

Leonardo da Vinci


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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


viii


ix

RESUMO


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


x


xi


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.


xiii


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


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


xvi


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


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


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


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


1


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


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


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.


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.


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


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]


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


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.


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


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.


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]


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.


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.


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


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


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.


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]


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]


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 –


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


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.


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]


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]


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]


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]


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]


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]


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


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


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



[8] http://digital.ni.com/manuals.nsf/websearch/F9DC0E332DB947C78625744E00 75F7B5





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


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.


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


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


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


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.


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


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


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


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.


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


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.


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


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


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


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


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


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


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


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


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.


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.


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.


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


56

ANEXOS


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


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


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


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


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.


62

Figura 7-4: Método de Ligação Standard


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


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


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.


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


67

nos enrolamentos secundários é relacionada directamente com a deformação sofrida

pelo provete, através de uma relação linear.


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.


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.


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


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.


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


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.


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).


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


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.


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

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Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de …intranet.dei.uminho.pt/gdmi/galeria/temas/pdf/42987.pdf · 2009-11-24 · Avaliação e aplicação do CompactRIO no