EUROelectronics 使用 NI CompactRIO 與 LabVIEW FPGA 進行液壓壓鑄機台的高速控制作業

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"透過此專案,我們可以在短短 3 週內完成從原型製作階段到最終機台設定的各項作業。"

- Paolo Catterina, EUROelectronics, srl

The Challenge:
為液壓汽缸開發符合成本效益且高度可靠的閉迴圈控制系統。

The Solution:
使用 NI CompactRIO 的高速效能開發出堅固耐用的系統架構,以滿足控制系統的嚴苛需求。

Author(s):
Paolo Catterina - EUROelectronics, srl

 

EUROelectronics 公司是一間機台製造商,在客戶的委託下設計了一款適用於壓鑄機台的閉迴圈液壓汽缸控制系統。由於高速壓力會以 0 至 10 m/s 的速度移動,因此需要以高速控制系統來掌控。 為了解決此一需求,我們使用了 NI LabVIEW FPGA ModuleCompactRIO 硬體。透過整合於 CompactRIO 控制器上的 FPGA,我們開發出可使用現成商用工具進行低階客制化的系統。 為了滿足此項應用的獨特需求,我們在 FPGA 中實作了高度最佳化的編碼器介面來量測汽缸位置,並於 LabVIEW 中進行完整的系統程式設計。

在正常情況下,系統會根據操作者輸入的速度與加速度軌道值來控制汽缸位置。 操作者可透過比例、積分,與微分 (PID) 演算法控制汽缸的運動。 壓力感測器則會用完全配合 CompactRIO 的處理速度,以數個毫秒的順序回傳資料。

運動設定檔與其他參數會透過乙太網路,與執行完整機台監控軟體應用程式的電腦共用。 我們以 NI LabWindows™/CVI 軟體實作了此操作者介面。 該項應用也可透過量測運動品質與重複性、執行處理變數的工業級資料擷取量測 (位置、速度、壓力、溫度),以及製作品質檢驗統計報表等方式,提供診斷與機台監控功能。

液壓汽缸的位置與壓力控制為工業自動化領域的常見應用,不過,由於這些系統具備高速與高壓力等特性,因此控制的精確度往往會是一大挑戰。

在我們的應用中,汽缸會透過特定的速度與加速度設定檔來依照軟體定義的軌道移動,而設定檔必須確保汽缸能準確且重複達到 10 m/s 的最高速度。若要穩定控制汽缸的煞車與加速,就必須以 1 kHz 的處理速率關閉迴圈。

壓力量測與位置所需的感測器品質是選擇擷取系統的首要考量。在此案例中,我們使用線性磁條感測器進行位置量測。 感測器必須精確且可靠地完成量測,而感測器訊號的訊號處理介面則也需要具備迅速與堅固耐用等特性。

CompactRIO 提供的類比輸入模組具有絕佳的準確度,我們只需使用 2 個高速數位輸入通道,就能完整實作汽缸位置控制的編碼器函式。有了 FPGA,編碼位置的訊號就能直接以感測器處理。 不需使用中段處理或放大裝置,也可明顯降低雜訊並提升處理速度。

汽缸運動必須精確地依循監控軟體所預先定義的位置、速度與加速度設定檔運作。我們需要在速度高於 1 毫秒的處理週期中,量測閥門位置並計算速度;且兩者都會與設定點進行比較,移動情形也會使用 PID 演算法進行修正。為了保持液壓電路的平衡,必須同步控制汽缸前端與後端的壓力值,以避免發生瞬間峰值。 包含機器的完整介面將由 CompactRIO 即時程式持續且完美地控制,以此取代傳統的可程式化邏輯控制器。

唯有在處理時間絕對精確的情況下,此應用才能透過液壓伺服閥有效關閉迴圈。同樣地,液壓電路必須迅速、精確並重複產生回應。 在這樣的情況下,液壓伺服閥會透過類比輸出訊號控制。

只要計算閥 (具有獨特的非線性化行為) 的線性化「表格」對應值,即可精確微調 PID 演算法。 透過此 PID 增益規劃方式,我們可同時以低度 (汽缸開始運動期間為 0.05 至 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。

若使用指令訊號的前饋與數據平滑處理技術,我們也能校準 PID 運算式,以避免快速換相點無法穩定移動的風險 (汽缸的位置必須盡快上升或降低)。

有了 CompactRIO 乙太網路埠,嵌入式 LabVIEW 系統即可與使用 LabWindows/CVI 開發的監控應用通訊。 操作者可透過監控軟體,以 2 種方法定義汽缸的注入設定檔:1) 輸入數值,或 2) 以圖形化的程序互動拖曳設定檔。 操作者也能設定所需的多個參數以執行機台週期,包含位置、速度、壓力與時間。

使用 NI PCI-6025E 資料擷取卡,我們也可以將多個診斷訊號新增至監控軟體,例如每次注入的位置、壓力與溫度資料。 機台監控軟體可提供機台作業圖表,並計算不同的控制數值,例如速度換相的位置、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,即可透過極高速的處理速度來更輕鬆地實作運動控制系統中最重要的部分。我們不需仰賴 LabVIEW 以外的低階開發工具、客制化電路,或程式設計語言,就能實作命令與反饋控制。CompactRIO 的效能,讓我們得以將系統封裝至完整且堅固耐用的小型裝置內。 由於系統可讓我們實作進階控制功能,我們才能大幅提升程序效益。

此應用使用 NI 軟體與硬體整合了性質相似的開發方式,因此更大幅縮減了所需的專案與開發時間。 透過此專案,我們可以在短短 3 週內完成從原型製作階段到最終機台設定的各項作業。

LabWindows 商標經 Microsoft Corporation 授權使用。

Author Information:
Paolo Catterina
EUROelectronics, srl
Tel: 39 030 2534521
Fax: 39 030 2533 705
p.catterina@euroelectronics.it

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