Sistema de Medición de Barreras Ópticas

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"Los cRIO de las últimas generaciones que utilizan NI Linux Real-Time son mucho más flexibles que los anteriores con VxWorks y permiten la conectividad de muchos dispositivos por USB e interfaz de vídeo. Esto permite la simplificación y la reducción de los costes del sistema final."

- JUAN J. CABANA GONZALEZ, OPIDIS

The Challenge:
Implementar un sistema de medición de alta velocidad, configurable y flexible para la verificación de sistemas industriales mediante sensores de barrera óptica.

The Solution:
Realizar mediciones de muy alta velocidad de la salida analógica de los sensores de barrera óptica del orden de pocos microsegundos para caracterizar y buscar patrones de respuesta de los eventos que obstruyen la barrera óptica.

Author(s):
JUAN J. CABANA GONZALEZ - OPIDIS

Introducción

La Empresa OPIDIS realizó para uno de sus clientes del sector de la fabricación de productos médicos, un sistema de medición de muy alta velocidad de muestreo para caracterizar la respuesta de eventos muy rápidos que son medidos por sensores de barrera óptica. Estos eventos transcurren desde su comienzo hasta su finalización en unos pocos milisegundos por lo que es necesario realizar la medición de los sensores a una velocidad del orden de los pocos microsegundos.
La solución debe incluir la capacidad de evaluar los patrones de respuesta en tiempo real de forma determinista y poder realizar acciones de control.
Para la implementación del prototipo se seleccionó un cRIO-9076 para medir la tensión de salida de una celda de barrera óptica con períodos de muestreo de menos de 50 microsegundos. La interfaz de entrada analógica seleccionada fue NI 9222 que permite muestreos simultáneos de 4 canales a 500 KS/s. Se utilizó una interfaz de entrada digital de pulsos de 24 VCC para la detección de los comienzos de los eventos.
El prototipo del sistema se utilizó para el estudio y caracterización de las respuestas a los eventos y detectaba la señal útil utilizando disparadores. Esta señal (aproximadamente 40.000 medidas) se enviaba a un ordenador externo conectado al controlador por Ethernet. En este ordenador se ejecutó un programa LabVIEW de usuario que recibía los datos por medio de Network Streams y los almacenaba en una hoja de cálculo MS Excel para su estudio posterior.
Para el sistema final de producción se utilizará un cRIO-9033 que tiene mejores prestaciones que el cRIO-9076 y entre otras características dispone de una salida de vídeo que permite implementar de forma sencilla la HMI local.

Requisitos Generales del Sistema de Medida

El Sistema de Medidas debe ser compacto y resistente ya que se incluirá en los mecanismos de las líneas de producción.
El comportamiento debe ser autónomo y disponer de la capacidad de proceso en tiempo real de por lo menos 4 sensores ópticos. Este proceso es la medición de las señales y la evaluación de las mismas según unos patrones predeterminados. Se debe poder almacenar las mediciones para su posterior estudio y mejorar los algoritmos de verificación.
El sistema debe disponer de una interface HMI local y permitir la conexión remota a una interface HMI y poder realizar el volcado de la información almacenada.
El sistema debe disponer de varias entradas y salidas digitales industriales (24 VCC) para la señalización de entrada y el control.

Solución Basada en NI cRIO y NI LabVIEW

La solución consiste en un CompactRIO que de forma autónoma mide con un período de muestreo de 1 microsegundo 4 canales analógicos (0 a 5 VCC) de forma simultánea, para esta finalidad se utiliza una interfaz NI 9223. En la FPGA del cRIO se realiza la medición en base a un evento de señalización consistente en un pulso de 24 VCC. Para las entradas y salidas digitales se utiliza una interface NI 9375.
Existe un retardo entre el pulso y el comienzo del evento a medir producto de los retrasos de las partes mecánicas de la máquina, por lo que se implementa un algoritmo de detección de comienzo y final de la señal útil. Esto permite disminuir la cantidad de datos analizados.
Estos datos son procesados en tiempo real por un algoritmo en la propia FPGA y se almacenan posteriormente en una memoria externa al cRIO en formato CSV.
Los algoritmos de detección pueden tener habilitados eventos de rechazo que provocarían una señal digital de 24 VCC para control externo. También simplemente pueden señalizar de forma adecuada la no conformidad.


Figura 1. Unidad de Medidas.

El sistema se implementa en un armario estándar con panel frontal táctil para la interface HMI. Esto se hace posible ya que el cRIO-9033 dispone de una salida de vídeo de Mini Display Port para la pantalla y entradas USB para la interface táctil (también teclado y ratón). El almacenamiento de datos extendido se implementa mediante una tarjeta de memoria SD que se inserta en el cRIO. En dicha memoria se almacenan archivos de datos en formato CSV comprimidos y se reutiliza el espacio si se llena de datos. Este evento se señaliza y de forma temporal los archivos se siguen almacenando en la memoria interna del cRIO hasta que la memoria externa se vacía o reemplaza por otra.
La HMI remota permite la supervisión del sistema en tiempo real y el volcado de los datos almacenados en la SD Card.



Figura 2. Interfaz HMI Remota.

Esta aplicación es un reflejo del funcionamiento del cRIO y en dependencia de la velocidad de la red local es más o menos rápida (en 1 Gbps es casi como en tiempo real). Los datos medidos se muestran en una gráfica y las conformidades de rechazo con diferentes indicadores.

Conclusiones

La medición de varios canales a muy alta velocidad es posible en los cRIO sobre todo en los de última generación como el NI 9033 con los nuevos procesadores y las FPGA mejoradas.
La implementación de los algoritmos de análisis de patrones en la propia FPGA permite el funcionamiento en paralelo sobre todo si se puede utilizar las capacidades de Single Loop. En este sentido hay que realizar un trabajo de formalización de los métodos matemáticos para que se puedan implementar en Single Loop.
Los cRIO de las últimas generaciones que utilizan NI Linux Real-Time son mucho más flexibles que los anteriores con VxWorks y permiten la conectividad de muchos dispositivos por USB e interfaz de vídeo. Esto permite la simplificación y la reducción de los costes del sistema final.

Author Information:
JUAN J. CABANA GONZALEZ
OPIDIS
AVE. DEL EURO 7' EDIF. CENTROLID B, OFIC. 206
VALLADOLID 47009
Spain
Tel: 983 319 603
jjcabana@opidis.es

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