Upgrade eines Drehmomentmessgeräts mit NI CompactRIO Hardware

​Hintergrund

​Unser Kunde, ein Hersteller von Elektromotoren und mechanischen Kraftübertragungsgeräten, bot einen speziellen Drehmomentmesser auf Basis veralteter Elektronik an. Das Design dieses Zählers war Jahrzehnte alt, so dass unser Kunde uns kontaktierte, um diesen Zähler aufgrund unserer Erfahrung in den folgenden Bereichen zu aktualisieren:

• ​Entwerfen und Erstellen benutzerdefinierter Elektronik für Embedded-Überwachungsanwendungen
• ​Reverse Engineering-Expertise
• ​Kleinserienfertigung kundenspezifischer Elektronik

​Die Herausforderungen

​Die Bewerbung erforderte eine Klasse 1/Div 2 sowie die üblichen CE-, UL- und FCC-Zertifizierungen. Das vorhandene Messgerät enthielt zwei Sensoren (die wir behalten konnten), eine Elektronik zur Signalaufbereitung der Sensorausgänge und einen kleinen Mikroprozessor für die Kommunikation mit der Außenwelt. Wie üblich war die Dokumentation für dieses vorhandene Messgerät unvollständig und erforderte Reverse Engineering, um den Projektumfang zu verstehen.

​Da es sich um eine Nachrüstung handelt, müsste das Ersatzdesign mindestens diesen Anforderungen entsprechen. Darüber hinaus wollte der Kunde, dass wir die Messfunktionen verbessern und Funktionen hinzufügen, um das Benutzererlebnis zu verbessern. Die Ausgänge des Messgeräts mussten mit SPSs und dem PC, auf dem die Bedienanwendung ausgeführt wurde, kommunizieren – in NI LabVIEW geschrieben.

​Die Lösung

​Zählerübersicht

​Da wir eine veraltete Situation hatten, benötigte unser Kunde schnell einen Ersatzentwurf. Die Erlangung von Zertifizierungen für die Klasse 1/Abteilung 2 und alle anderen Zertifizierungen wie CE, UL und FCC dauert jedoch sehr lange. Wir haben uns überlegt, wie wir die Gesamtzeitachse verkürzen können und haben uns dafür entschieden, ein CompactRIO-System mit einem benutzerdefinierten Modul der C-Serie zu kombinieren, das für die Schnittstelle der Sensoren des Kunden entwickelt wurde. Dieser Weg beruhte auf der Tatsache, dass CompactRIO-Controller und -Chassis bereits die Klasse 1/Div 2, CE, UL und die anderen Zertifizierungen erfüllten, was die Gesamtzeit und Komplexität für die Zertifizierung des gesamten Systems reduzierte. Wir haben uns für den Controller cRIO-9042 und das Chassis mit 4 Slots entschieden.

​Ein weiterer Vorteil der Entscheidung für ein CompactRIO-System war die Verfügbarkeit anderer NI-Module. Da die Sensoren beispielsweise leicht von der Temperatur beeinflusst werden, haben wir ein 4-Kanal-RTD-Modul zur Messung der Sensortemperatur eingebaut. Wir haben auch einen 4-Kanal-Analogausgang von 0-20 mA eingebaut, um Drehmomentwerte an andere Systeme zu übertragen, z. B. eine SPS, die dieses Signal zum Trenden, Alarmieren und möglicherweise zum Abschalten der Antriebsmotoren verwendet.

​Schließlich wollten wir mehr Systemfunktionalität in Software und weniger in Hardware platzieren. Der Mikrocontroller in der bestehenden Schaltung war sehr bescheiden in seinen Fähigkeiten; ein Großteil der Signalaufbereitung und grundlegenden Verarbeitung, wie Filterung, wurde in Hardware durchgeführt. Mit der verfügbaren Rechenleistung im CompactRIO-Controller könnten wir das Hardware-Frontend für einige Signalaufbereitungsschritte verwenden und Software für die übrige Signalverarbeitung und Umwandlung von Rohwerten in Drehmoment verwenden. Dieser Ansatz ist flexibler und wartbarer als der vorherige Entwurf. Als wir bei der Fehlersuche festgestellt haben, dass einige der anfänglichen Anforderungen nicht korrekt beschrieben wurden, konnten wir eine Änderung an der Software vornehmen. Eine Hardwareänderung hätte den Zeitplan verzögert.

​Benutzerdefinierte Hardwareentwicklung

​NI ermöglicht es Drittentwicklern, benutzerdefinierte Module der C-Serie zu entwerfen und zu bauen, indem sie die Hard- und Softwarerichtlinien und -anforderungen im CompactRIO Module Development Kit (MDK) befolgen.

​Beispiele für MDK-Richtlinien sind:

• ​Ein EEPROM muss beim Anschließen an die Backplane eine eindeutige ID für die Modulidentifikation enthalten.
• ​Die Modulschnittstelle der C-Serie verwendet 11 Signalleitungen auf der Backplane, von denen zwei vordefinierte feste Funktionen haben. Daher musste unser Modul die anderen neun Leitungen verwenden, um Konfiguration, Daten und Status über die FPGA-Schicht an den Controller zu übermitteln.
• ​Der benutzerdefinierte Schaltkreis musste physisch in das Gehäuse für Module der C-Serie passen.
• ​Der Stromverbrauch muss unter den angegebenen Grenzwerten liegen.

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​Viele andere Anforderungen sind in der MDK-Dokumentation aufgeführt. Die folgende Abbildung zeigt die von uns entworfene Leiterplatte.

​Die folgende Abbildung zeigt, wie die Leiterplatte in das Gehäuse für Module der C-Serie eingeführt wird.

Unser benutzerdefiniertes Hardwaredesign verarbeitet die Signale der beiden Positionssensoren in digitale Impulse für die nachfolgende Timing-Analyse. Da sich die Amplituden des Signals je nach Betriebsbedingungen ändern, wird bei dieser Signalaufbereitung ein signalamplitudenabhängiger Schwellwert kombiniert mit einer Entprellhysterese verwendet.

​Softwaredesign

​Unser benutzerdefiniertes Modul verwendet einen geräteeigenen FPGA und VHDL zur Kommunikation mit den CompactRIO-System-LabVIEW-FPGA-I/O-Knoten gemäß den Spezifikationen im MDK. Der CompactRIO LabVIEW FPGA-Code erkennt die Flanken der beiden digitalen Signale und stempelt sie mit hoher Auflösung. Die Ergebnisse werden an eine LabVIEW Real-Time-Anwendung weitergeleitet.

​Diese Anwendung gibt Drehmomentmessungen über Modbus Ethernet, Modbus 485 (seriell) und ein analoges 0-20-mA-Signal aus.

​Eine in LabVIEW für Windows entwickelte Bedienanwendung arbeitet mit dem CompactRIO-Controller als Modbus-Gerät. Mit Hilfe von Modbus-Registern wird auf Drehmomentdaten, Statusinformationen und Fehler zugegriffen. Die Bedienoberfläche dieser Anwendung ermöglicht die Konfiguration jedes Zählers für eine bestimmte Konfiguration (Sensortyp, Kalibrierung usw.). Schließlich kann das Messgerät auch mit einer SPS kommunizieren, um ihren Motor zu steuern, ihre Ausrüstung zu überwachen und bei Bedarf ein sicheres Abschalten durchzuführen.

​Ergebnis und Fortschritte

​Eine wichtige Überlegung bei unserem Entwurf war der Komponentenlebenszyklus, so dass der Kunde sich über viele Jahre keine Sorgen über die Veraltung machen muss.

​Mit diesem Ziel haben wir speziell für folgende Kriterien entwickelt:

• ​Minimieren des Funktionsumfangs des Moduls der C-Serie, so dass der Aufwand bei der Entwicklung von Ersatzhardware vereinfacht wird, wenn diese veraltet ist.
• ​Maximierung des Funktionsumfangs von Software für eine einfachere Lebenszyklusverwaltung.
• ​Nutzung des NI Lifecycle Managements für die restlichen CompactRIO-Komponenten.

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​Die Sorge unserer Klienten vor eventueller Veraltung wird mit diesem Ansatz verringert.

​Künftig wird unser Kunde den bisherigen Drehmomentmesser mit diesem neuen CompactRIO-basierten Design für seine Bestandskunden austauschen und neue Einheiten für seine zukünftigen Kunden einsetzen. Wir sind sicher, dass ihre Kunden zufrieden sein werden.