RIO架构中的FPGA硬件应用与案例分析

你曾经使用过的传统PLC有没有这样的情况：控制循环运行得不够快，或者想自定义对执行器和传感器的数字接口几乎也是不可能的事？NI可编程自动化控制器如CompactRIO的核心中创新地加入现场可编程门阵列芯片能够同时满足这些要求，甚至做得更好。

FPGA可编程芯片具有高可靠性并且可实现硬件自定义

可编程逻辑控制器（PLC）是工业过程控制和自动化应用的核心。它们具有低成本高可靠性和高易用性的特点，已经被多年来的成功应用所证明。它们分离的模拟和数字I/O特性以及数百赫兹的闭环控制能力满足了大量应用的需要。但遗憾的是并非所有的应用都很容易在这些限制内实现。很多新的机械制造方法需要带有革新架构的更高效的控制器。NI的CompactRIO作为PAC将计算机实时计算能力与现场可编程门阵列（FPGA）的可靠性和灵活性结合起来。RIO架构的FPGA部分使其比起传统控制系统具有三大核心优势：高性能并行处理，灵活的硬件自定义和可靠的硬件逻辑。

图一 . 你可以对CompactRIO核心中的FPGA进行自定义逻辑和算法的编程

运行高级算法，如无刷直流电机磁场定向控制（FOC），能够减少电力消耗、延长部件寿命。这些控制算法的优点是可以使得机器更加高效，但是通常这些算法超出了PLC的计算能力。例如FOC控制器必须以10到100kHz的速率计算矢量控制算法。与控制算法并行的其他的知识产权（IP）模块如高速PWM输出需要在不影响控制算法定时的条件下执行。FPGA固有的并行执行能力，使其在以高达数百kHz的循环频率完成控制算法的同时，仍然有空间可以处理多轴控制算法、与人机界面（HMI）进行数据通信或者与主微处理器交互。另外，因为FPGA的可重配置特性，你可以随时调整控制算法。

图二. 当你直接将代码部署到CompactRIO上的 FPGA时你可以将循环速率提升到100kHz以上

高级、高速的控制算法并非是令您考虑给PLC系统增加一块基于FPGA的可编程自动化控制器（PAC）的唯一原因。你还可以使用可编程FPGA来自定义定时或者触发逻辑乃至与几乎任一款传感器和执行器的通信协议。例如对于旋转机械，你可以通过监测和分析机器部件自动振动的幅值和频率来判别轴承和齿轮以及其它机械零部件的健康情况。因为CompactRIO上的FPGA颇具策略地安置于I/O模块和高层实时控制器之间，它使得数据简化成为可能，并且FPGA对获得的I/O数据重采样、滤波和预处理的工作使得处理器的负担大大减轻。FPGA还能够满足任一款传感器同可编程自动化控制器（PAC）自定义数字通信协议的需求。

图三. 美国国家仪器为内置数据分析和信号处理提供了数百个处理模块。基于FPGA的分析有很好的确定性，它使得实时处理器能够更多地来完成更高级别的任务，比如数据存储和通信。

最后，对FPGA的逻辑编程直接编译成硬件电路，它拥有与控制系统直接相连的物理逻辑门，因此十分可靠。FPGA不会受到内存泄露、多线程优先级倒置以及其他问题的影响，而基于操作系统的控制器一直受到这些问题的困扰。如果你的安全逻辑或者激励/响应逻辑需要亚微秒级的响应时间，FPGA将是一个理想的选择。

案例分析：使用CompactRIO确保产品产量和焊接质量的提升
玻利维亚的CL咨询私人有限责任公司（简称CL咨询公司）需要帮助欧洲的旧轧钢机改进生产过程，避免生产线起点处的两张钢板焊接时发生断裂。成功焊接能够保证生产过程的连续，而一旦发生焊接故障将导致在轧钢机内的钢板发生断裂，就需要清理机内断带、重新卷线并给机器重新送料，这能导致最长72小时的停工。毋庸赘述，自动化焊接过程的质量对轧钢机的总体效率十分关键。

图四. 采用LabVIEW和CompactRIOCL咨询公司可以对板材焊接过程进行更优的控制，从而提高了轧钢机的产量

CL咨询公司选择采用CompactRIO作为焊接控制器。他们采用FPGA来实现对钢板电阻焊机和液压夹具的快速控制。电焊机的电流也需要与电网同步，这样电焊机就可以只在输入功率波形过零时刻开启和关闭，否则半导体闸流管可能会损坏，电网也会受到影响。采用FPGA后，CL咨询公司利用基于FPGA的滤波器对公司电网出现的输入电力信号中的高频谐振和干扰进行滤除，可以将电焊机与准确的转换时间同步在10ns以内。

总的来说，来自C L 咨询公司的新控制系统使用CompactRIO能够将旧工厂钢材焊接断裂事故的发生率从2%减少大约0.05%，显著提高了产品的产量。

如何改进你的PLC系统

CompactRIO控制系统的FPGA核心通过并行执行、灵活的硬件自定义以及可靠的硬件逻辑定义提供了先进的控制性能。