EUROelectronics 公司使用 NI CompactRIO 與 LabVIEW FPGA 的高速液壓壓鑄 (Die-Casting) 機器

Author(s):
Paolo Catterina - EUROelectronics srl

Industry:
Industrial Controls/ Devices/ Systems

Products:
LabWindows/CVI, FPGA Module, CompactRIO

The Challenge:
針對油壓缸 (hydraulic cylinder) 開發閉迴路控制系統，可同時符合成本並具有高可靠度。

The Solution:
使用 NI CompactRIO 高速效能開發可靠的系統架構，以符合控制系統的嚴苛需求。

EUROelectronics 公司為機器製造商，受客戶委託，必須針對壓鑄機器設計閉迴路的油壓缸控制系統。高速壓力以 0 ~ 10 m/s 的速度移動，因此需要高速控制系統。為了解決此需求，我們使用了 NI LabVIEW FPGA Module 與 CompactRIO 硬體。透過整合於 CompactRIO 控制器上的 FPGA，我們開發了可使用現成工具的低度客制化系統。為了符合此應用的獨特需求，我們在 FPGA 中建置最佳化的編碼器介面，以量測汽缸位置，並完全於 NI LabVIEW 中進行系統的程式設計。

 

在正常情況下，系統將根據操作者輸入的速度與加速度軌道職，進一步控制汽缸位置。操作者可透過比例、積分，與微分 (PID) 的運算式，控制汽缸的運動。壓力感測器以數個微秒的順序回傳資料，並可完全配合 CompactRIO 的處理速度。

 

電腦將執行玩整的機器監控應用程式，並透過乙太網路共用運動資料檔 (Motion profile) 與其他參數。我們以 NI LabWindows/CVI 軟體建置此操作者介面。此應用亦具有量測運動品質與重複性的診斷與機器監控功能、執行處理變數的工業級資料擷取量測 (位置、速度、壓力、溫度)，並製作品質檢驗的統計報表。

 

油壓缸的位置與壓力控制，為工業自動化領域的常見應用。但由於其高速度與高壓力特性，往往讓控制的精確度成為此種控制系統最主要的挑戰。

 

在我們的應用中，汽缸透過特定的速度與加速度資料，依軟體定義的軌道進行移動；此處必須確保精確且穩定的最高速 10 m/s。針對汽缸的煞車與加速控制，則必須以 1 kHz 的處理速率關閉迴路。

 

當選擇擷取系統所必須考慮的第一件事，即為用於壓力量測與位置的感測器之品質。在此案例中，我們將線性磁條 (Magnetic stripe) 感測器用於位置量測。感測器必須進行精確量測，且感測器訊號的訊號處理介面，必須使用迅速且耐用。

 

透過 CompactRIO 所啟用的類比輸入模組，具有完美的精確性。讓我們僅使用 2 個高速數位輸入通道，即完整建置汽缸位置控制的編碼器函式。由於 FPGA，編碼位置的訊號可直接由感測器進行處理。我們甚至不需要中段處理或放大裝置，即可明顯降低雜訊，並因此相對提升處理速度。

 

汽缸運動必須精確依循由監控軟體所預先定義的位置、速度，與加速度的相關資料。在高於 1 ms 的處理週期中，即完成活門位置的量測、速度的計算，並均與設定點 (Set point) 進行比較；以 PID 運算式更正該運動。為了保持油壓電路的平衡，則必須同步控制汽缸前端與後端的壓力值，以避免瞬間峰值。包含機器的完整介面，將由 CompactRIO 即時程式透過傳統的可程式化邏輯控制器，穩定地進行操作。

 

此透過油壓伺服活門以有效關閉迴路的應用，即為了具時效性的處理週期時間所設定。同樣地，油壓電路必須迅速、精確，並重複地產生回應。在此案例中，則由類比輸出訊號控制此油壓伺服活門。

 

只要計算活門的線性化「表格 (table)」的對應值，即可精確微調 PID 運算式；而該活門具有專屬的非線性行為 (Behaviour)。透過此 PID 增益排程方式，我們可同時以低度 (汽缸開始運動期間為 0.05 ~ 0.30 m/s) 與高速 (實際最高速度為 7.5 m/s) 取得極為精確的對應 (Response)。

 

使用指令訊號的前饋 (Feed-forward) 與平滑處理 (Smoothing) 技術，我們亦可以校準 PID 運算式，以避免快速換相點 (commutation point) 不穩定移動的風險 (汽缸的位置必須儘速上升或降低)。

 

透過 CompactRIO 乙太網路埠，嵌入式 LabVIEW 系統即可使用 NI LabWindows/CVI 溝通已開發的監控應用。操作者可透過監控軟體，以 2 種方法定義汽缸的射出 (Injection) 資料：1) 輸入數字化的數值，或 2) 以圖形化的程序，互動地拖曳資料。操作者亦可設定所需的多個參數以執行機器週期，包含位置、速度、壓力，與時間。

 

使用 NI PCI-6025E 資料擷取卡，我們亦可針對每次射出 (Injection)，新增多個診斷訊號至監控軟體，如位置、壓力，與溫度資料。機器監控軟體可提供機器作業圖表，並計算不同的控制數值，如速度換相 (speed commutation) 的位置、平均與峰值速度、次數、壓力，與溫度。

 

以 LabVIEW FPGA 進行 CompactRIO 的程式設計，可透過極高速的處理過程，更輕鬆地建置運動控制系統的最重要部分。我們不需訴諸於 LabVIEW 以外的低階開發工具、客制電路，或程式設計語言，即可建置指揮與反饋控制。CompactRIO 的效能讓我們將系統壓縮為完整且堅固的小型裝置。由於系統讓我們建置的進階控制功能，我們可以逐步大幅提升各個處理程序。

 

並由於使用 NI 軟體與硬體所整合的近似性質開發方式，此應用更大幅縮減所需的專案與開發時間。透過此專案，我們可以在短短 3 個禮拜內，從原型製作階段直至最後的機器設定。

 

LabWindows 商標為 Microsoft 公司授權使用。

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