選擇正確硬體減少嚴苛應用系統成本

綜覽

如果要在極端的環境中執行穩定的量測作業,不僅非常困難,同時也要耗費許多成本。 針對極端的溫度範圍或危險環境而建置監測或控制系統時,必須考慮到很多要素。 開發嚴苛的應用項目時,必須想到溫度、衝擊與振動、環境認證,以及用於嚴苛環境的硬體機型。

內容

溫度

 

嚴苛應用通常包含了極端溫度範圍內的測試作業,因此會增加更多硬體限制。 舉例來說,冷開機引擎測試會採用可下降到 -40°C、需要連續擷取資料的測試台,像是溫度、壓力或其他各種量測項目。 如果把無法承受此溫度範圍的硬體放在嚴苛的環境中,可能會造成硬體元件無法正常運作、資料錯誤或硬體損壞。

test cell.jpg

圖 1. 用來執行多種引擎測試作業的測試台,比如說極端溫度測試。

 

如果要讓硬體承受極端的溫度,有兩種方式。 第一個方式就是建置可保護硬體的外殼。 取決於使用硬體的極端溫度範圍本身,工程師必須在機箱上加入加熱或冷卻元件,才能確保硬體元件可維持在運作溫度。 此外也可以考慮採用保護板,並且選擇可以反射熱能的機箱顏色。 設計機箱時如果要全盤考慮到這些事情,可能要耗費不少時間與成本。

 

第二個方式就是選用可承受極端溫度的硬體。 NI 的機箱可確保其中元件能夠在這些限制下正常運作,因此提供了可承受極端溫度的硬體。 NI 的機箱經過多重的熱度測試與檢驗作業,確保特定元件可以根據硬體規格正常運作。 這類測試也可保障硬體符合國際標準,能夠在特定的溫度範圍內運作。

 

衝擊振動

 

另一個開發嚴苛應用的考量就是衝擊與振動規格,才能建置出有效的測試設定。 無論是監控斗輪式挖掘機功率傳輸系統的主要齒輪箱,還是執行 Formula SAE 賽車的內部類比與數位量測作業,這些應用項目都必須考慮到測試硬體的振動與衝擊數值。 如果硬體位於嚴苛環境中,卻無法負荷此環境的高振動或衝擊指數,就會造成硬體元件損壞,或帶來昂貴的維修或更換費用。

Excavator.jpg
圖 2.
這項高度振動應用必須監控 KWK-1500s 挖掘機斗輪的主要齒輪箱。

 

針對嚴苛環境而設計測試設定時,必須比較多個選項。 工程師可以設計出振動外殼,確保硬體元件可以根據特定的振動與衝擊規格順利運作。 另一種外殼設計方式就是隔離硬體與該環境中的振動狀況。 這種方式不僅非常昂貴,還需要執行許多測試作業,才能確保硬體可因應該環境的振動或衝擊狀況,並且維持正常運作。

 

此外,也可選擇提供適當規格的硬體。 如果要設計可承受振動影響的硬體,其實有很多方式。 比如說,工程師可設計內部元件的振動隔離機制,確保這些元件能夠正常運作。 NI 開發的硬體可承受高達 50 g 的衝擊與 5 g 的振動。 一旦完成硬體設計之後,建議把硬體安裝於堅硬的表面上,才能符合所有的國際標準,並且確保此產品可用於嚴苛的振動與衝擊環境。 NI 透過自家的 C 系列產品執行了所有必要的測試作業,確保相關元件可以在這類極端環境下維持正常運作。

 


圖 3.
使用 NI CompactDAQ 平台執行振動測試。

 

環境認證

 

開發嚴苛應用時,雖然溫度範圍與衝擊/振動規格都是重要的考量,但也要考慮到執行測試作業的環境本身。 如果要在危險地點執行測試作業,而且這些環境有可能會在異常的運作條件下出現氣體或蒸汽爆炸,這一點就會變得尤其重要。 這類危險環境可能是化學工廠或精鍊場。 針對危險環境而開發測試作業時,務必符合正確的認證項目。

 

取決於執行作業的地區,危險環境的運作認證包含了 UL 危險地點或 EU 危險地點認證。 這兩種項目皆可用來檢驗可用於爆炸型危險環境的產品。 UL 認證採用了 Class 與 Division 這兩種分類項目。 Class 代表危險環境的種類,Division 則代表環境狀態。 Class 包含了 Class 1 ~ Class 3 這三種危險環境,分別代表了氣體或蒸汽、粉塵、以至於同時包含粉塵、纖維與飛絮等可能會爆炸的環境。 Division 則分為兩種: Division 1 代表正常作業狀態下的材質,Division 2 代表異常狀態下的材質。

 

一般來說,必須針對所有的認證項目徹底測試整個系統,才能確保符合規定且可用於這些嚴苛環境。 測試所有的硬體不僅昂貴又繁瑣,但是只有這樣才可以用於這類環境。

 

圖 4. 根據危險地點認證來測試管線。

 

另一個嚴苛應用常見的認證項目就是勞氏驗船協會 (Lloyd's Register) 的 Type Approval。 這項認證是由第三方所執行的評估作業,可證實某產品是否符合國內外標準,並且檢驗製造商的生產品質系統。 Type Approval 適用於海事與近海應用、工業級廠房與程序,以及 IT 產業等。 除了可確保產品是否符合海洋環境的安全標準,Type Approval 也可確保產品可以在海洋環境中維持應有效能。

 

如要取得此認證,目標硬體必須交由第三方執行完整的檢驗程序。 首先,第三方必須審查完整的硬體設計,確保符合特定的規格與法規。 接著必須親身監視檢驗與測試程序,並且把硬體送至進階的審查與檢驗單位。 取得所有的核准之後,目標硬體就會受到檢驗與授權,可以使用勞氏驗船協會的 Type Approval 標示。 硬體認證過程非常昂貴繁瑣,這樣才能確定硬體已取得此認證項目。

 

NI 提供了豐富的硬體,具備多種工業級環境認證,同時符合適用的國際標準。 這些硬體已經過應用認證所需的嚴苛測試。 認證內容包含了硬體可用於危險環境,甚至可用於海洋環境。

 

機型

 

針對嚴苛應用而選擇硬體時,整體機型可說是重要考量。 選擇用於嚴苛環境的硬體時,比如說近海或沙漠內陸的油井設備,測試系統的體積相當重要。 如果硬體材質無法承受嚴苛環境,而且必須備有保護機箱時,系統體積就會大幅增加。 如果保護硬體的機箱體積過大,可能會因此限制測試地點。 至於分散式的遠端應用項目,硬體體積當然是越小越好。

圖 5. 舉例來說,引擎測試台通常需要小體積的耐用硬體。

 

除此之外也要考慮到硬體的冷卻功能。 硬體的冷卻方式有很多, 主要分為被動與主動冷卻。 採用被動冷卻的硬體沒有移動式零件,所以比較堅固耐用。 如果硬體需要移動式零件才能在測試過程中冷卻下來,可能會因此限制了測試地點, 比如說冷卻運作中硬體的風扇。 至於主動式冷卻裝置,有些高耗能機械元件也必須考慮到其他事項,比如說運作溫度範圍,或是運作期間可承受的衝擊與振動規格。

 

耐用系統的硬體選項

 

應用環境與其他外在因素的影響,都會決定是否需要開發系統外殼,還是乾脆直接選用耐用的硬體。 只要選用 NI CompactDAQCompactRIO 等 NI 系列產品,幾乎就可以確定自己的硬體可以承受嚴苛的極端環境,不必額外執行辛苦的測試程序。

 

接著要根據應用內容來選擇合適的產品。 比如說,是否需要監控多項量測作業,或是要執行控制與監測應用? 如果應用需求包含了輕鬆串流波形資料,以利監控或用於後續處理,NI CompactDAQ 可說是理想選擇。 如果必須透過內建的 FPGA 靈活執行各種處理作業,或是充當控制系統的控制器,就要選用 CompactRIO。

 

NI CompactDAQ 是一種混合式量測的模組化平台,具備內建的訊號處理功能,以及豐富的 I/O 選項。 工程師可針對嚴苛應用打造出最佳化系統,不必承擔非必要的功能成本,還可以隨時靈活調整以便因應不斷變化的需求。 NI CompactDAQ 與所有 C 系列模組均採用 A380 鋁合金製成,堅固的系統可承受 -20°C ~ 55°C 作業環境溫度與高達 30 g 的衝擊。 NI cDAQ-9188XT 屬於耐用版本的 NI CompactDAQ 機箱,可承受 -40°C ~ 70°C 作業環境溫度與高達 50 g 衝擊。有了 NI CompactDAQ 等高彈性的堅固系統,即可重新設定並隨意移動單一測試系統,不必為了各種實驗或測試台需求而購買不同的設備。 用於 NI CompactDAQ 機箱的 C 系列模組也很堅固,同時具備彈簧卡筍,安裝至機箱時即可固定到位。 NI CompactDAQ 系統都在已安裝模組的情況下接受衝擊與振動規格測試,所以不必擔心模組是否會在特定情況下脫落。 乙太網路 NI CompactDAQ 機箱系統也經過嚴苛的測試,並且取得了 UL 與 EU 危險地點認證。 NI CompactDAQ 的堅固特性可讓使用者迅速開始執行測試作業,同時縮短嚴苛環境下的測試準備時間。

圖 6. cDAQ-9188XT 具有 -40°C ~ 70°C 溫度範圍、50 g 衝擊與 5 g 振動,這是 NI CompactDAQ 系列前所未有的規格,有助於執行各種量測作業,不受地點限制。

 

NI CompactRIO 為開放的嵌入式架構,搭配精巧且可熱插拔的工業級 I/O 模組,並具備 NI LabVIEW 可重設 I/O (RIO) 架構。就許多嵌入式應用而言,體積、重量、I/O 通道密度都是重要的設計需求。 CompactRIO 運用 FPGA 裝置的高效能與小體積等特性,可透過精巧耐用的機身提供絕佳的控制與擷取功能,並且通過工業級認證與評比,適用於嚴苛的極端環境。 CompactRIO 具備了 -40°C ~ 70°C (-40°F ~ 158°F) 作業環境溫度範圍、50 g 衝擊,以及多項國際級安全、電磁相容性 (EMC)、環境認證與評比。

圖 7: 堅固耐用的 NI CompactRIO 系統,提供絕佳的效能與彈性。

 

專為耐用度而打造的硬體



如果要針對嚴苛環境設計並打造出合適的系統,並且承受會影響系統本身的外在要素,其實有很多方式。 必須深入研究的重點包含了環境溫度範圍、硬體必須承受的衝擊與振動規格、必要的環境認證,以及整體系統所需的規格與功能種類。 建置可滿足上述需求的系統時,只要選用專為耐用度而打造的硬體,比如說 NI CompactDAQ 與 CompactRIO 系統,即可縮短作業時間,同時省去繁瑣的工作,不必執行相關測試來確保系統是否符合環境規格,或是能否在硬體專用機箱內正常運作。