以 CompactRIO 開發大型的自動化生產測試

介紹

一流的汽門傳動機構元件供應商需要可靠的系統，才能順利執行產線末端功能與效能測試，並驗證複雜的動力總成組裝與加工是否妥善。要能符合大量生產的需求，關鍵在於穩定性與最大總產能。Signal.X 利用 CompactRIO 打造的系統能讓可程式化自動控制器 (PAC) 執行許多功能，以往需要用到數種控制器或 PLC 才能辦到。

2 個獨立的 CompactRIO 單元在單一的測試單元中執行測試站。Windows PC 用於設定與顯示每個 CompactRIO 系統的資料，但測試作業並不需要用到。資料在被系統擷取後，就會從 CompactRIO 傳輸至 PC，然後傳輸至執行 Signal.X DataManager 軟體的伺服器，以進行最終的儲存、封存以及資料庫作業。 

運動控制

我們開發了多軸且多重速率的運動控制子系統，透過可設定的比例微積分 (PID) 參數、限制與連鎖，管理 4 個控制軸。這個子系統針對介於 125 微秒與 8 毫秒之間的 CompactRIO 現場可重設閘陣列 (FPGA) (根據軸而定)，使用即時的 8 毫秒更新率搭配樣條內插法。

資料擷取與處理

雖然測試週期短 (25 秒內)，但可從資料中計算出約 30 至 40 個指標，因此計算的資料必須能夠即時處理。我們使用檔案讀寫並行的方式進行處理，以盡可能提升效率，同時讓資料在測試期間保持隨時可用的狀態。

由於系統會隨著實際測試平行處理資料，客戶能夠在指標失效時及早設定資料放棄測試，進而提升整體產能，並將花在測試失效零件的時間降至最低。我們建立了客制化限制定義編輯器以設定此處理定義，包含過濾、觸發，以及可供追蹤的版本修訂控制。

離散零件處理

我們將 CompactRIO 控制器當做 PAC，開發了適用於傳統離散控制的架構。此系統的核心是有限狀態機，該機器會模擬使用者可設定、自然靈活且有效率的階梯邏輯式系程式。這種方式主要用於設施中以進行氣動滑送、PLC/機器人互動，以及故障與錯誤處理。隨後也開發了簡易的編輯器，以便使用者能編輯滑送運動、PLC 零件轉移、連鎖，以及安全性序列。

此程式包含分流、迴路、內部記憶體儲存、跳接與狀態加壓 (Forcing) 等功能。當中會針對不同作業模式建立邏輯，例如電源開啟、手動操作與自動操作，而故障、錯誤邏輯與還原功能則是所有模式都會執行。也就是說，以往有限狀態機採用了備受肯定的傳統控制概念，這也是 PLC 開發人員所熟悉的概念。這種方式保留了傳統階梯邏輯所有的功能與簡易性，同時加強支援複雜的浮點運算、英數字源操作、螢幕顯示，以及 GUI 互動。

通訊

我們使用源自 NI 實驗室的 EtherNet/IP Driver for Industrial Communication，直接與 Allen-Bradley ControlLogix PLC 進行通訊。我們使用 Simple Messaging Reference Library 協定進行 CompactRIO 與 PC 之間的通訊，以進行即時資料串流與指令傳輸。我們還提供簡單可靠的外部裝置連接方式以簡化通訊。

資料管理

每一個 CompactRIO 系統所收集到的資料量，對開發而言相當不容易，需要詳細規劃才能確保可靠且長期穩定。每一項測試都會儲存為時 25 秒約 12 個通道的資料，並產生約 1.5 MB 的 Technical Data Management Streaming (TDMS) 檔案。在生產率最高的情況下，每個 CompactRIO 系統每天都會產生約 2 GB 的資料。為因應如此龐大的資料量，我們會將外部 USB 硬碟連接到 CompactRIO 以儲存資料。資料會在裝置連線後自動上傳至 PC，但是 CompactRIO 磁碟會保留本機緩衝區，以因應 PC 或網路斷線的情況。同理，資料也會在伺服器連線後，自動從 PC 傳輸至 DataManager。PC 會保留本身的資料緩衝區，以便在伺服器斷線時能夠快速存取與儲存資料。

NI 合作夥伴 Signal.X DataManager

此專案採用 Signal.X 現成可用的產品，以供儲存、查詢、封存測試台資料並製作相關報告。根據標準的查詢語言資料庫，DataManager 會存在於伺服器上，並照預定的排程掃描所有已設定的工作站、擷取與封存資料檔案，並且將測試結果插入資料庫。使用者可以查詢資料庫以傳回生產資料子集、根據那些查詢建立報告，以及讓報告自動產生並在趨勢變動時發出警示。此外，使用者還可以在伺服器上根據新限制執行歷史資料，以評估新的指標與「假設」情境。

完整組合

CompactRIO 系統是一完整、可靠、快速且可重設的自動化測試系統控制器。週期時間短與資料使用效率佳的特性，可最大化整體產能，進而節省成本並改善作業流程。Signal.X 在加入完整的資料管理解決方案後，已對各種上游流程產生正面影響，包括杜絕保固期退貨、認識組件瑕疵，以及精簡測試程序與限制。

NI 解決方案的優勢

過去這些流程都是由個別的控制器與 PLC 分開處理，因而導致複雜性和成本增加。而 CompactRIO 平台將所有功能整合到單一硬體元件，並且透過單一流程管理。此外，LabVIEW 程式設計具有靈活性，也讓您能從單一原始碼組或設定畫面調整當中的任何流程。

成果

這項專案採用了數種關鍵技術，最終使得流程獲得許多改善與效率提升，包括：

• 將 Windows PC 自重要的生產路徑中移除，並藉由內嵌於 CompactRIO 系統的即時作業系統，減少停機時間並提升穩定性。
• 由於系統會隨著測試平行處理資料，因此能更快做出 Pass/Fail 決策，並且即時拒絕故障的零件，而不會在整個測試流程完成後才進行相應動作。
• 由於一發生故障就會立即拒絕零件並重新測試，因此產能平均提升了 5%。
• DataManager 具有自動化報告製作、批次處理以及資料封存等功能，因此將所有資料傳輸至其中，便能提供工程師與經理最新的生產流程資訊，並將原先需手動執行的工作自動化，進而有效解決導致廠房作業耽擱的原因。

客戶的使用感想：「由於我們的製造需求加上全年無休的生產，因此需要最大的效率與穩定性，同時也需要維持最佳品質。而透過 Signal.X Technologies 應用在我們產線末端測試系統的架構，我們實現了這個目標。最終我們的產能增加、停機時間減少，同時整體穩定性也提升了。」

作者資訊：

Robert Hoffman
Signal.X Technologies, LLC
15800 Centennial Dr., Suite A
Northville, MI 48168
United States
電話：(734) 417-8236
Hoffman@signalxtech.com

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