Комплекс решений National Instruments

Встраиваемая система – это система управления, сконструированная таким образом, чтобы управлять работой устройства, находясь непосредственно в его корпусе. В современном высокотехнологичном мире устройства с микропроцессорными «мозгами», более или менее мощными, окружают нас со всех сторон – в быту, промышленности, на транспорте, в медицине, где угодно. Это неудивительно: программа способна придать технике недостижимую прежде функциональность, поэтому такие устройства давно приобрели огромную популярность, их количество непрерывно растет, а функциональность усложняется, и эта тенденция сохраняется до сих пор, не демонстрируя признаков затухания. Все появляющиеся компьютерные технологии чаще всего применяются именно во встраиваемых системах.
Отсюда постоянный и устойчивый спрос на разработку всё новых и новых встраиваемых систем, что порождает азартную конкуренцию в среде их разработчиков.
Что же нужно разработчикам, для того чтобы выжить в условиях жесткой конкуренции, и с какими проблемами они сталкиваются?
Сегодняшние системы очень сложны, и не только с технической точки зрения. При их создании необходимо добиться, чтобы с небольшими бюджетными средствами разработка продукта (от проекта до реализации) отняла мало времени, само решение обладало хорошей функциональностью, гибкостью и полностью соответствовало техническим требованиям заказчика. Такой продукт получит преимущество на рынке встраиваемых систем.
Представьте, что у вас есть набор инструментов, с которым все эти условия выполняются: экономно расходуются средства, разработка от проекта до внедрения занимает мало времени, хотя осуществляется меньшей командой специалистов, функциональность встраиваемой системы полностью соответствует нуждам заказчика, а сама система обладает гибкостью.
Такой набор инструментов создала для разработчиков встраиваемых систем компания National Instruments («Нэшнл Инструментс», NI), всемирно известный лидер в области производства аппаратно-программных средств автоматизации. Штаб-квартира компании находится в г. Остин (штат Техас, США).
Для разработки встраиваемых систем компания national instruments предлагает широкий спектр готового оборудования с единой архитектурой реконфигурируемого ввода/вывода (RIO). Во всех приборах есть процессор, способный решать задачи в режиме реального времени, программируемая вентильная матрица (Field-Programmable Gate Array, FPGA – англ.) и всевозможные интерфейсы: аналогового, цифрового ввода/вывода, управления движением и передачи данных по сети. Применение такой архитектуры совместно с графической средой NI LabVIEW позволяет ускорить процесс разработки и макетирования встраиваемых систем, систем промышленного мониторинга и управления на основе гибкого, высокопроизводительного оборудования. Возможность повторного использования кода и применение единой архитектуры гарантирует быстрый и экономически выгодный переход от макета к готовой системе, а также минимальное время выхода системы на рынок (рис. 1).

Рис. 1. Архитектура NI RIO: быстрое создание прототипа и воплощение в готовом изделии
Новая встраиваемая система NI System on Module (SOM) расширяет возможности семейства NI RIO (NI CompactRIO, NI SingleBoard RIO), позволяя создавать встраиваемые системы на уровне одной печатной платы. Как и раньше, используя стандартную архитектуру NI RIO вместе с кроссплатформенной графической средой разработки приложений LabVIEW, можно будет быстро разработать прототип новой системы на базе гибкой модульной платформы CompactRIO и столь же быстро воплотить ее в недорогом встраиваемом одноплатном компьютере NI RIO. Больше не потребуется модификация программного кода при переходе от создания прототипов к внедрению законченных систем, что позволит снизить время выхода продукции на рынок и повысить надежность встраиваемой системы.
В каждой NI SOM (рис. 2) на одной микросхеме реализованы линии цифрового ввода/вывода, процессор реального времени и высокопроизводительная ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема). Как и во всех устройствах семейства NI RIO, непосредственное подключение линий ввода/вывода к схеме обеспечивает возможность низкоуровневой настройки тактирования и обработки сигналов. Между ПЛИС и встраиваемым процессором реального времени сигналы передаются по высокоскоростной шине. Программа LabVIEW обеспечивает автоматическую передачу данных с линий ввода/вывода на ПЛИС и на процессор для быстрого решения задач обработки данных в реальном времени, регистрации сигналов и передачи их по сети.

Рис. 2. Встраиваемая система NI System on Module (SOM)
С помощью среды графической разработки LabVIEW можно программировать процессор реального времени, реконфигурируемую ПЛИС и линии ввода/вывода встраиваемой системы управления, мониторинга, обработки сигналов, регистрации данных – всё в одном проекте на LabVIEW. Применяя специализированные модули, можно программировать процессор реального времени (LabVIEW Real-Time) и ПЛИС (LabVIEW FPGA). Библиотека связующих драйверов позволит без проблем интегрировать с единым целым все компоненты встраиваемой системы: интерфейсы аналогового и цифрового ввода/вывода, ПЛИС, процессор, периферийные устройства и память.
К услугам разработчика – модуль LabVIEW FPGA для конфигурирования ПЛИС, а также связующие драйвера и утилиты настройки, обязательно входящие в комплект поставки каждого прибора, который поддерживается платформами NI RIO.
На графике, приведенном на рис. 3, видно, что благодаря LabVIEW и другим инструментам разработки встраиваемых решений от NI продукт попадает на рынок в два раза быстрей, чем обычно. При этом используется в три раза меньше, чем обычно, технических средств.

Рис. 3. На графике отражены результаты исследований компании UBM plc*_______________________________________________* UBM plc – исследовательская международная компания (с центром в Лондоне), работающая в сфере бизнеса и маркетинга. Издает журнал Electronic Engineering Times (EET). UBM/EET – общие данные по компаниям рынка встраиваемых систем, опубликованные компанией UBM plc в журнале EET. MoE (measure of effectiveness) – показатель эффективности.

Приведем пример из практики. Покажем, как с помощью решений NI была успешно создана встраиваемая система управления для испытательного стенда электронасосных агрегатов.

Создание АСУ ТП на базе ПЛК NI
Испытание электронасосных агрегатов проводят по ГОСТ 6134-2007. Исторически сложилось, что данный вид испытаний проходит в ручном режиме с использованием проверенных временем стрелочных приборов: стрелочных манометров, образцовые модели которых имеют класс точности 0,4, стрелочных амперметров, вольтметров и ваттметров. Измерения виброшумовых параметров агрегатов зачастую выполняется с помощью 1–4-канальных переносных приборов.
Руководством предприятия была поставлена задача создать стенд с повышенной степенью автоматизации на базе использования современных средств контроля, управления и измерения. Одной из основных целей была минимизация работы обслуживающего персонала, максимальное снижение влияние человеческого фактора при проведении типовых испытаний. Кроме того, важно было создать удобный инструмент для инженера-исследователя, позволяющий сжать сроки проведения исследований, одновременно увеличить объем анализируемой информации и повысить качество измерений. При этом уровень используемых приборов, контроллеров и программного обеспечения должен быть на уровне лучших западных аналогов.
Наряду с автоматизацией стояла задача дублировать все высокотехнологичные системы ручными аналогами и осуществить возможность параллельной работы обеих систем.
Также нужно было обеспечить одновременную независимую работу двух испытательных стендов под управлением одной команды испытателей. В ходе испытания снимаются гидравлические и виброшумовые параметры, а также осуществляется управление всем вспомогательным оборудованием, поэтому было принято решение использовать платформу NI RIO. Два контроллера были оснащены следующими модулями:- 9208 для работы с датчиками 4–20 мА;- 9871 для управления «умными» задвижками и опроса оборудования, поддерживающего интерфейс RS‑485;- 9375 для управления пускателями всего вспомогательного оборудования, управления клапанами и непосредственного запуска и остановки испытуемых агрегатов;- 9234 для виброшумовых испытаний агрегатов, тестируемых по ГОСТ 6134-2007 и ГОСТ 51401-99.
Так как при типовых испытаниях с определением виброшумовых характеристик требуется измерять вибрации (не менее чем в 24 точках) и воздушный шум (не менее чем 5 точках), для решения этой задачи был выбран контроллер NI PXI 1082 с модулями PXI‑4498.