PCI Express, USB, ZigBee, Wi-Fi, Ethernet, PXI: qual è il bus ideale per le tue applicazioni di acquisizione dati, datalogginge monitoraggio? Roberto Isernia Technical Marketing Leader National Instruments Italy Agenda 14:30 – 16:00 Benvenuti Valutazione delle opzioni tra i vari bus Le tue esigenze quali sono? Le soluzioni NI Comparazioni tra i vari bus e soluzioni applicative 16:00 – 16:15 16:15 – 17:15 Coffee break La scelta del software Il software giusto per la tua applicazione Salvataggio dati e reportistica 17:15 – 17:30 17:30 Datalogging Embedded Conclusione 2 National Instruments $900 • Leader nel mondo della misura e dell’automazione industriale Record di crescita e profitto a lungo termine Più di 5000 impiegati; sedi operative in oltre 40 paesi Per 10 anni consecutivi premiata dalla rivista Fortune tra le migliori 100 aziende per cui lavorare in USA, e per 3 anni in Italia (Great Place to Work) 16% di investmenti in R&D $800 $700 $600 $500 $400 $300 $200 $100 $0 7778 79 80 81 82 83 84 85 86 • • • • 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 3 Diversi bus disponibili Fast Ethernet PCI Gigabit Ethernet 4 I componenti di un sistema di acquisizione dati 5 Differenti fattori di forma per ogni tipo di bus Dispositivi di acquisizione dati National Instruments PCI PCI Express PXI/PXI Express WSN USB USB w Chassis Ethernet/ Wi-Fi Ethernet w Chassis 6 Un esempio di acquisizione dati Accelerazione Tachimetrica Prossimità Motor Deformazione Controllo motore Indicatori a LED NI 9201 NI 9234 NI 9485 NI 9237 NI 9234 NI 9481 NI 9211 Temperatura LVDT NI CompactDAQ Chassis USB 7 Molti elementi, qual’è la tua priorità? • Facile da usare e pronto all’uso - Tempi di preparazione ed immediatezza nella misura • Sincronizzazione tra i canali e numero elevato di misure – Quanti canali? Che tipo di sincronizzazione? • Sistema distribuito – Quanto distanti sono e in che modo sono posizionati i punti di misura dal PC? • Banda passante – Il sistema di acquisizione dati deve sostenere le velocità dei fenomeni da monitorare • Sistemi ad anello chiuso – Determinismo e latenza sono importanti 8 …dipende dalle “tue” esigenze Monitoraggio e logging dei dati da laboratorio Esempio: Misure da banco occasionali Monitoraggio distribuito Esempio: Monitoraggio dei ponti Singola scrittura e lettura (anello chiuso) Esempio: Controllo PID Stimolo e risposta Esempio: Hardware in the loop 9 Compariamo i bus rispetto alle tue esigenze Velocità dell’anello Monitoraggio e salvataggio dei dati in locale Trsferimento dati Aggiornamen to singolo punto Stimolo e risposta X X Velocità delle forme d’onda Elevato numero di canali X Sistema remoto Temporizzazione e sincronizzazione Setup ed installazi one X X X X X X 10 Architettura di acquisizione dati, la velocità: Alta velocità o singolo campione 4 canali UUT 4 canali Sistema di acquisizio ne dati a 16-bit, campiona mento a 10 kS/s PC Determina il valore di output in base al valore d’ingresso Un esempio: Hardware-in-the-loop o emulazione prototipale 11 Velocità del loop e delle forme d’onda: La latenza e la banda Ideale per applicazioni con grosse mole di dati Ideale per applicazioni di lettura e scrittura come il singol point (PID) 12 PCIe/PXIeBanda dedicata per ogni dispositivo Vantaggi aggiuntivi per grosse mole di dati 13 Quanta larghezza di banda mi serve? • Larghezza di banda necessaria= # di canali * bit di risoluzione (bit) * frequenza di campionamento (S/s) / 8 • Controlla quale bus va bene per le tue esigenze e considera un 30% in più • Se hai bisogno di maggiore banda rispetto ad un singolo slot PCIe, allora per esempio considera di aggiungere un’altra scheda 14 Quindi comparando le velocità… USB 1.1 Ethernet USB 2.0 PCI & PXI PCI & PXIe Good per Single-Point Best per Single-Point USB 1.1 Fast Enet USB 2.0 USB w Chassis PCI & Gbit Enet PXI PCIe & PXIe Good per forme d’onda Best per forme d’onda 15 Un esempio: monitoraggio e trasferimento dati Monitoraggio condizioni di un ponte: Misura di vibrazioni Good per Single-Point Good per Waveforms Pochi canali per nodo Locale Best per Single-Point Best per Waveforms Molti canali per nodo Distribuito Bassa precisione, remoto, Timing & Synch Alta precisione, locale Timing & Synch Veloce Non immediato Cosa consigliamo: PXI/PCI o PCIe/PXIe 16 Soluzioni NI per PCI/PXI e PCI/PXI Express • Fino a 18-bit di risoluzione o 2 MS/s di campionamento • Sistemi multiplexati o simultanei • Analog I/O + digital I/O e counter/timers • Calibrazione onboard • Trigger e timing configurabile 17 NI, 20 anni nel mondo dell’acquisizione dati NI Wi-Fi DAQ Ethernet DAQ USB NuBus PCI R Series PCI Express PXI X Series 1989 1988 ISA 1996 1995 E Series 2004 1998 2003 2005 2006 2008 NI CompactDAQ 2009 PXI Express WSN M Series 18 La novità: Serie X Nuova tecnologia NI-STC3 timing e sincronizzazione Nuove funzioni NI DAQmx ed integrazione con NI LabVIEW Elevata velocità grazie all’interfaccia PCI Express 19 Interfaccia nativa x1 PCI Express • Banda dedicata fino a 250 MB/s in ogni direzione • 8 canali DMA • Novità software, ottimizzazioni per applicazioni a bassa latenza e applicazioni di controllo 20 NI-STC3 , tecnologia di timing e sincronizzazione raffinata • • • • Miglioramento nei counter (127 Sample su buffer) 100 MHz timebase Nuovo motore di timing degli I/O digitali Retriggering in ogni sottosistema 21 Alcuni esempi: Digital timing NI M Series NI X Series 22 Alcuni esempi: operazioni di Retrigger M Series La serie X supporta il retrigger con analog I/O, digital I/O, e counter I/O 23 Alcuni esempi: operazioni di Retrigger X Series La serie X supporta il retrigger con analog I/O, digital I/O, e counter I/O 24 Ottimizzazione nel software NI-DAQmx • Facilità nello sviluppo di applicazioni multicore con NI LabVIEW e NI-DAQmx • Ottimizzazione per applicazioni a bassa latenza e sistemi di controllo • Facilità nella sincronizzazione e per il datalogging 25 Sincronizzare più serie X Vecchio metodo: più complesso ed articolato, la complessità aumenta all’aumentare dei dispositivi 26 Sincronizzare più serie X Nuovo metodo: con il task multidevice sincronizzare due o più schede non risulta più un’operazione complicata. E se volessimo fare del datalogging? 27 Alcuni esempi: Multidevice e logging Configure Logging.vi 28 Per riassumere (1) Da 1.25 a 2 MS/s Da 1.25 a 2 MS/s/ch Simultanei Prezzo Da 250 a 500 kS/s Prestazioni 29 Per riassumere (2) • Le schede Serie X integrano Tecnologia NI-STC3 PCI Express nativo Miglioramenti software (NI-DAQmx 9.0) • Facilità di aggiornamento al sistema Serie X (stessi connettori e pinout Serie M) • Le Serie X sono disponibili da soluzioni a basso costo fino a soluzioni a 2 MS/s/ch con campionamento simultaneo • Più funzionalità allo stesso prezzo 30 Numero di canali, sistema distribuito, sincronizzazione e timing Velocità dell’anello Monitoraggio e salvataggio dei dati in locale Trsferimento dati Aggiornamen to singolo punto Stimolo e risposta X X Velocità delle forme d’onda Elevato numero di canali X Sistema remoto Temporizzazione e sincronizzazione Setup ed installazi one X X X X X X 31 Elevato numero di canali e sistema distribuito Molti canali ma poco distribuiti Molti canali e ben distribuiti (con sincronizzazione?) Più canali Pochi canali per nodo e non distribuiti Pochi canali e ben distribuiti Più distribuito 32 Elevato numero di canali e sistema distribuito Aumenta la sincronizzazione tra i sistemi Aumenta la precisione nella sincronizzazione PXI/PXI Express Meglio per più canali PXI/PXI Express over Ethernet PCI, PCI Express USB with Chassis Ethernet with Chassis USB Ethernet WiFi WSN Meglio per sistemi distribuiti 33 Numero di canali e dove ,USB, Ethernet, WSN WiFi USB o Ethernet w Chassis, PCI & PCIe PXI & PXIe Pochi canali per nodo USB, PCI, PCIe, PXI & PXIe Molti canali per nodo Ethernet, PXI & PXIe over Ethernet WiFi WSN Locale Distribuito 34 Un esempio: Monitoraggio ambientale Misure da sensori distribuiti: Sistema distribuito remoto Good per Single-Point Good per Waveforms Pochi canali per nodo Locale Bassa precisione, remoto, Timing & Synch Best per Single-Point Best per Waveforms Molti canali per nodo Distribuito Alta precisione, locale Timing & Synch Veloce Non immediato Cosa consigliamo: Wi-Fi oppure Wireless Sensor Network 35 Facciamo un confronto tra protocolli Alto WLAN Assorbimento, Costo e Complessità IEEE 802.11 Wi-Fi WPAN Distanza di trasmissione Lunga Bluetooth Media Breve Basso (Batterie) IEEE 802.15.4 ZigBee 100 k 1M 10 M 100 M Data Rate (b/s) 36 Wi-Fi (IEEE 802.11) • Standard per reti wireless onnipresente (1997) • Semplice da integrare in reti IP esistenti • Data rate, distanza e sicurezza in evoluzione Versione 802.11 802.11b 802.11a Rilascio 1997 1999 1999 Frequenza 2.4 GHz 2.4 GHz 5 GHz Max bit Rate 2 Mb/s 11 Mb/s 54 Mb/s Distanza ~100 m ~30 m ~10 m 802.11g 802.11n 2003 2009 2.4 GHz 2.4 GHz, 5 GHz 54 Mb/s 600 Mb/s ~30 – 100 m ~50 – 120 m 37 Soluzione NI per Ethernet, WiFi • • • • Connessione diretta ai sensori Ideale per monitoraggio remoto 10/100 Base-T/X Ethernet WiFi – IEEE 802.11b/g radio Pronta all’uso Gestione sicurezza (IEEE 802.11i) • NI-DAQmx driver software 38 ZigBee (IEEE 802.15.4) • Basato su IEEE 802.15.4-2006 • Durata delle batterie fino a 3 anni con intervallo di campionamento a 1 minuto • Data Rate: 250 kbits/s • Consente: • • Mesh Routing – capacità della rete di individuare percorsi alternativi di istradamento Sleep Mode – capacità per un nodo finale di risparmiare energia ed assicurare comunicazione affidabile 39 Topologie di rete Stella Distanza Complessità Cluster/Albero Affidabilità Latenza Mesh Gateway Nodo router Nodo terminale 40 Soluzione NI per WSN Nodi di misura WSN Temperature Ossigeno disciolto PC ConnessioneRadio IEEE 802.3 Ethernet Batteria Microcontrollere Circuito anaalogico WSN Gateway Tensioni Interfaccia ai sensori 41 La soluzione per WSN NI WSN-9791 Gateway Ethernet • • • 2.4 GHz, IEEE 802.15.4 radio Connettività flessibile, Windows o Real-Time Facile configurazione in MAX NI WSN-3202 NI WSN-3212 Nodi di misura • • • • • • • 4-ch, 16-bit, ±10V analog input 4-ch, 24-bit thermocouple input Facile drag-and-drop Alimentato a batteria, fino a 3 anni di vita 2.4 GHz, IEEE 802.15.4 radio Configurabile in mesh Connessione diretta ai sensori 42 Riassunto – compromessi tecnologici Wi-Fi Banda Distanza Topologia Alimentazione Fino a 250 kS/s Fino a 100 m Stella Di rete ZigBee < 10 S/s Fino a 300 m Mesh Batteria Security WPA2 (IEEE 802.11i) N/A 43 4 domande da porsi – reti wireless 1. Quali sono i requisiti di misura? 2. Quali sono le distanze dai sensori al mio centro raccolta dati o rete aziendale? 3. Quale alimentazione è disponibile? 4. La sicurezza è un problema? 44 Sistema di acquisizione dati da sensori distribuiti su turbine eoliche • La sfida: Monitorare ed analizzare l’efficacia di particolari soluzioni tecnologiche progettuali utilizzate in sistemi di conversione energetica (da eolica ad elettrica). • La soluzione: strumentare le macchine eoliche con una rete di sensori e acquisitori distribuiti via Wi-Fi, per analizzare il comportamento energetico, strutturale e funzionale delle turbine. 45 Scelta della tecnologia wireless • Rete di sensori distribuiti (anemometri, temperatura e umidità, pressione, pioggia, estensimetri, accelerometri, analizzatori di rete) • Frequenza di acquisizione e banda: elevata • Distanza: <100m Soluzione wireless adottata: PAC (Programmable Automation Controller) collegati attraverso Wi-Fi 46 Telecontrollo del processo di coltivazione di alghe per bio-diesel • La sfida: sviluppare una piattaforma di raccolta dati e di controllo per l’implementazione industriale della tecnologia di coltivazione di alghe per la produzione di bio-carburanti La soluzione: realizzazione di uno SCADA che include HMI e salvataggio dati ed una rete di sensori wireless (WSN) che effettua monitoraggio e controllo remoto del processo di coltivazione. • 47 Scelta della tecnologia wireless • Rete di sensori (temperature, ossigeno disciolto, flussi di CO2, pressioni, grandezze chimiche e fisiche) e regolatori di flusso • Frequenza di acquisizione e banda: lenta • Distanza: >100m Soluzione wireless adottata: WSN (Wireless Sensor Network) collegati attraverso ZigBee 48 Il Timing e la sincronizzazione PXI/PXIe over Ethernet Ehernet, WSN WiFi USB w Chassis, PXI PCI & PCIe PXIe Bassa precisione, remoto Locale 49 Ho bisogno di sincronizzare più dispositivi tra di loro? • Correlazione tra gli I/O per l’analisi • Condividere clock e trigger: Il metodo più semplice attraverso le linee PFI (DAQ) Prestazioni elevatissime con PXI Express • Sincronizzazione reti distribuite attraverso GPS, NTP o IEEE-1588 50 Comparando i vari standard di sincronizzazione Precisione nanosec picosec PXI Multichassis IRIG-B GPS Basato sul tempo microsec Basato sul segnale millisec sec <10-4m 10-2m 100m 101m 102m 103m 104m 105m Globale Distanza 51 Un esempio di elevato numero di canali distribuiti Boeing 787 Noise Flyover Test 200 Hz Wings 400 Hz Jet engine 52 Esempio di sistema distribuito con NI PXI 427 canali campionati simultaneamente da una grigia di microfoni 100 m 100 m Diversi cestelli PXI dislocati su tutto l’anello dove sono disposti i microfoni 405 microfoni a basso costo 8 x 200 fibre ottiche 53 Numero di canali, sistema distribuito, sincronizzazione e timing Velocità dell’anello Monitoraggio e salvataggio dei dati in locale Trsferimento dati Aggiornament o singolo punto Stimolo e risposta X X Velocità delle forme d’onda Elevato numero di canali X Sistema remoto Temporizzazione e sincronizzazione Setup ed installazi one X X X X X X 54 Setup e installazione: i vari step 1. Installazione driver 2. Installazione hardware (USB è il più immediato) 3. Trovare il dispositivo (automatico per USB, PCI, PCIe, PXI, PXIe) 4. Configurazione 5. Connessione ai sensori 6. Esecuzione del Sw 55 Setup ed immediatezza del sistema Enet or WiFi w security and troubleshooting WSN Enet or WiFi USB PCI & PCIe PXI & PXIe Veloce Più lungo 56 Esempio di sistema pronto all’uso, diversi canali e set-up veloce Ispezione di componenti per treni 57 Un esempio: Datalogging Datalogging: Sistema di misura facile e portatile (da laboratorio o invehicle) Good per Single-Point Good per Waveforms Pochi canali per nodo Locale Bassa precisione, remoto, Timing & Synch Best per Single-Point Best per Waveforms Molti canali per nodo Distribuito Alta precisione, locale Timing & Synch Veloce Non immediato Cosa consigliamo: USB 58 Soluzioni NI per USB 256 Serie M ad elevate Numero di canali Alimentate dal BUS prestazioni •6.4 MS/s throughput attraverso NI signal streaming NI CompactDAQ Basso costo •1.25Mhz Analog Input •Fino a 4 AO •Fino a 24 digitali •32-bit counters •Fino a 2300V Isolamento • Moduli inseribili a caldo • Moduli AI, AO, e DIO disponibili • Connettività diretta ai sensori •4 * 32-bit counters 8 •A partire da meno di 100 € •250kS/s •16-bit AI/AO •DIO DIO Analog In MIO Hi-Speed Analog Sensors & Isolation 59 Esempio: Sistema di monitoraggio per treni • 12 strain gauges a 5kHz/ch • 50 cm cavo USB verso il laptop • 30 minuti a 1.2GB 60 La novità USB: NI CompactDAQ Due nuovi cestelli cDAQ- 9178 (Cestello a 8 Slot con trigger) cDAQ- 9174 (Cestello a 4 Slot) 61 NI CompactDAQ Due Nuovi cestelli – Caratteristiche fisiche Cavo con blocco BNC per Sample Clock/Trigger (solo per 8 slot) Connettore Combicon 62 NI CompactDAQ Due Nuovi cestelli – Multi AI Timing Engines I moduli funzionano a velocità di campionamento diverse 63 NI CompactDAQ Due Nuovi cestelli – Multi AI Timing Engines 64 La scelta software Software di acquisizione dati Application Software Driver Software Measurement & Automation Explorer Tecnologia Express NI-DAQmx API NI-RIO NI-WSN Il motore DAQmx Driver Hardware 66 NIDAQmx: Diverse soluzioni di bus, lo stesso software Ethernet PXI PCI USB PXI Express PCI Express 67 Wi-Fi Measurement & Automation Explorer (MAX) Creazione dei canali e dei task Pannelli di test interattivi Configurazione dei dispositivi, gestione di rete Diagrammi e connessioni 68 L’ambiente di Programmazione LabVIEW Front Panel – Interfaccia Utente Block Diagram – Logica di programmazione 69 Controlli e Indicatori • • • • • • • Manopole Grafici/Registratori Bottoni Display digitali Slider Termometri Crea e personalizza secondo le tue esigenze 70 Le funzioni nel block diagram Functions Palette Quick Drop oppure • Premere “ctrl + space” • tasto destro nel Block Diagram 71 Model of Computation Dataflow Text-based Programming/OOP Text-based Mathematics Simulation Statechart Desktop Real-Time FPGA Microprocessor/DSP Vision Mobile Touchpanel WSN Chosen Platform Hardware 72 Da LabVIEW a SignalExpress: Tecnologia Express e DAQmx Tecnologia Express 73 LabVIEW SignalExpress • Configurazione immediata e salvataggio dati SENZA PROGRAMMAZIONE • Salvataggio dati fino a 250 dispositivi di acquisizione dati • Signal Processing online, analisi e salvataggio dati • Gratuito con LabVIEW Pro e Full Development System • Genera codice LabVIEW direttamente dal progetto • Si possono creare step custom con LabVIEW 74 Software di acquisizione dati Application Software Driver Software Measurement & Automation Explorer Tecnologia Express NI-DAQmx API NI-RIO NI-WSN Il motore DAQmx Driver Hardware 75 Datalogging Embedded: NI CompactRIO Soluzioni NI per Datalogging Embedded Estrema affidabilità NI CompactRIO Embedded DAQ and control Range di temperatura -40 to 70 C 50 g shock certificazioni industriali Ethernet Control 10/100BaseTX o 1000BaseTX I/O Isolati Da 80 mV a 250 V Ridotte dimensioni e bassi consumi 179.6 by 88.1 mm Da 9 a 35 VDC power, 6 W tipico 77 I2S Incremento dell’efficienza e della qualità nella produzione dell’acciaio Misure speciali a bordo macchina VAPO Hydraulics Sollevamento di pianali non bilanciati (20 tonnellate) Controllo Avanzato Nucor Riduzione dei consumi energetici Acquisizione analogica ad elevata velocità VESKI Riduzione Costi di Manutenzione impianto Signal Processing ed analisi 78 NI CompactRIO, il PAC basato su FPGA Robustezza estrema • Range di temperatura-40 to 70 C • 50g shock, 5g vibration Bassi consumi • Da 9 a 35 VDC, 7-10 W tipico •FPGA riconfigurabile per controllo, timing e triggering ad elevata velocità e customizzabile • Moduli di I/O con condizionamento integrato ed accesso diretto ai sensori • Processore Real-time per misure, analisi e controllo ad elevata affidabilità 79 NI CompactRIO, il PAC basato su FPGA Real-Time Processor FPGA •FPGA riconfigurabile per controllo, timing e triggering ad elevata velocità e customizzabile • Moduli di I/O con condizionamento integrato ed accesso diretto ai sensori • Processore Real-time per misure, analisi e controllo ad elevata affidabilità 80 NI CompactRIO Aggiungere dati del FPGA allo Scan Engine NI CompactRIO LabVIEW Real-Time LabVIEW Real-Time FPGA I\O modules – SCAN Interface 81 NI Scan Engine I/O memory table I/O Variables RIO Scan Interface User FPGA data FPGA Host Interface Timing LabVIEW FPGA VI I\O modules – FPGA Interface Soluzioni NI per Datalogging Embedded Enet Analysis Logging USB RTOS Analysis IP Timing IP IPNet Control IP Comm IP 3rd party IP Analog I/O Comm I/O Digital I/O Motion I/O Control Comm 3rd party I/O Packaged Board-Level 82 Riepilogo: valutazione dei bus Waveform Speed USB PCI USB 1.1 USB 2.0 Good Better Best SinglePoint Speed Good Better Best Best Good Good Best Best Best Channels per Node Good (Better w/ Chassis) Good Good Better Good (Better w/ Chassis) Better Best Best Distributed Capabilities Timing and Synch Precision Good Better Better Good Good Good Best Best Setup and Installation Time/Ease Best Better Better Good Better Best Good Good Good Good Good Best Best Best Better (Best over Enet) Better (Best over Enet) PCI Express WLAN Ethernet/ LAN WSN PXI PXI Express X4 (for example) Fast Enet Gbit Enet ZigBee Best Better Better Best X Best X4 (for example) Best 83 Domande?
[email protected] [email protected] 02 / 41.309.1