Actualización de un medidor de par con hardware NI CompactRIO

​Antecedentes

​Nuestro cliente, un fabricante de motores eléctricos y equipos de transmisión de potencia mecánica, ofrecía un medidor de par especializado basado en electrónica obsoleta. El diseño de este medidor tenía décadas de antigüedad, por lo que nuestro cliente se puso en contacto con nosotros para actualizar este medidor debido a nuestra experiencia en las siguientes áreas:

• ​Diseño y construcción de electrónica personalizada para aplicaciones de monitoreo integradas
• ​Experiencia en ingeniería inversa
• ​Pequeño lote de fabricación de electrónica personalizada

​Los desafíos

​La aplicación requería una calificación Clase 1/Div 2, junto con las certificaciones habituales CE, UL y FCC. El medidor existente incluía dos sensores (que podíamos conservar), electrónica para acondicionar la señal de salida de los sensores, y un pequeño microprocesador para comunicarse con el mundo exterior. Como de costumbre, la documentación de este medidor existente estaba incompleta, requiriendo ingeniería inversa para entender el alcance del proyecto.

​Al ser una actualización, el diseño de sustitución necesitaría cumplir con estos mismos requisitos como mínimo. Además de esta línea de base, el cliente quería que mejoráramos la capacidad de medición y añadiéramos alguna funcionalidad para mejorar la experiencia del operador. Las salidas del medidor tenían que comunicarse con los PLC y el PC que ejecutaba la aplicación del operador —escrita en NI LabVIEW— para administrar las tendencias de par, las alarmas y la configuración del medidor.

​La solución

​Visión general del medidor

​Debido a una situación de obsolescencia, nuestro cliente necesitaba un diseño de reemplazo rápidamente. Sin embargo, obtener certificaciones para Clase 1/Div 2, y todas las demás certificaciones, como CE, UL y FCC, lleva mucho tiempo. Consideramos formas de acortar la línea de tiempo general y decidimos combinar un sistema CompactRIO con un módulo personalizado de la serie C desarrollado para interactuar con los sensores del cliente. Este camino se basó en el hecho de que el Controlador CompactRIO y el chasis ya satisfacían las certificaciones Clase 1/Div 2, CE, UL y las demás, reduciendo el tiempo general y la complejidad para certificar todo el sistema. Elegimos el controlador cRIO-9042 y el chasis de 4 ranuras.

​Otro beneficio de decidir basar el medidor en un sistema CompactRIO fue la disponibilidad de otros módulos NI. Por ejemplo, los sensores se ven ligeramente afectados por la temperatura, por lo que incluimos un módulo RTD de 4 canales para medir la temperatura del sensor. También incluimos una salida analógica de 4 canales de 0-20 mA para transmitir valores de torque a otros sistemas, como un PLC, que usaron esta señal para generar tendencias, alarmas y posiblemente apagar los motores de accionamiento.

​Por último, queríamos colocar más funcionalidad del sistema en el software y menos en el hardware. El microcontrolador en el diseño existente era muy modesto en sus capacidades; gran parte del acondicionamiento de la señal y el procesamiento básico, como el filtrado, se hacía en hardware. Con la potencia de procesamiento disponible en el CompactRIO Controller, podríamos usar el front-end de hardware para algunos acondicionamientos de señal y usar software para hacer el procesamiento de señal restante y la conversión de valores brutos a torque. Este enfoque es más flexible y mantenible que el diseño anterior. De hecho, cuando descubrimos durante la depuración del sistema que algunos de los requisitos iniciales no se describieron correctamente, pudimos realizar un cambio en el software. Hacer un cambio de hardware habría retrasado el calendario de entrega.

​Diseño de hardware personalizado

​NI permite a los desarrolladores externos diseñar y construir módulos personalizados de la serie C siguiendo las directrices y requisitos de hardware y software del kit de desarrollo de módulos CompactRIO (MDK).

​Los siguientes son ejemplos de las directrices de MDK:

• ​Una EEPROM debe contener un ID único para la identificación del módulo al conectarse al panel trasero.
• ​La interfaz del módulo de la Serie C utiliza 11 líneas de señal en el panel trasero, dos de las cuales tienen funcionalidad fija predefinida. Por lo tanto, nuestro módulo tuvo que utilizar las otras nueve líneas para comunicar la configuración, los datos y el estado al controlador a través de la capa FPGA.
• ​La circuitería personalizada necesitaba encajar físicamente en la carcasa de un módulo de la Serie C.
• ​El consumo de energía debe estar por debajo de los límites especificados.

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​En la documentación sobre los objetivos de desarrollo del Milenio se especifican muchos otros requisitos. La siguiente imagen muestra la PCB que diseñamos.

​La siguiente imagen muestra cómo se inserta la PCB en la carcasa del módulo de la Serie C.

Nuestro diseño de hardware personalizado toma las señales de los dos sensores de posición y las acondiciona en pulsos digitales para el análisis de temporización descendente. Dado que las amplitudes de la señal cambian dependiendo de las condiciones de funcionamiento, este acondicionamiento de señal utiliza un umbral dependiente de la amplitud de la señal combinado con histéresis de rebote.

​Diseño de software

​Nuestro módulo personalizado utiliza un FPGA y VHDL integrados para comunicarse con los nodos de E/S FPGA del sistema CompactRIO LabVIEW según las especificaciones del MDK. El código CompactRIO LabVIEW FPGA detecta los bordes de las dos señales digitales y los marca con alta resolución. Los resultados se pasan a una aplicación LabVIEW en tiempo real.

​Esta aplicación emite mediciones de torque a través de Modbus Ethernet, Modbus 485 serial y una señal analógica de 0-20 mA.

​Una aplicación de operador, desarrollada en LabVIEW para Windows, interactúa con el CompactRIO Controller como un dispositivo Modbus. Los datos de par, la información de estado y cualquier error se acceden mediante registros Modbus. La interfaz de usuario del operador de esta aplicación permite configurar cada medidor para una configuración específica (tipo de sensor, calibraciones, etc.). Finalmente, el medidor también puede comunicarse con un PLC para controlar su motor, monitorear su equipo y realizar un apagado seguro si es necesario.

​Resultado y avance

​Una consideración importante en nuestro diseño fue el ciclo de vida del componente para que el cliente no tenga que preocuparse por la obsolescencia durante muchos años.

​Con ese objetivo en mente, diseñamos específicamente para los siguientes criterios:

• ​Minimizar la funcionalidad del módulo de la Serie C para que cuando este hardware se quede obsoleto, se simplifique el esfuerzo de diseño de hardware de sustitución.
• ​Maximizando la funcionalidad realizada en software para su gestión más sencilla del ciclo de vida.
• ​Aprovechamiento de la gestión del ciclo de vida de NI para el resto de los componentes CompactRIO.

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​La preocupación de nuestros clientes sobre la eventual obsolescencia disminuye con este enfoque.

​En el futuro, nuestro cliente intercambiará el par metro anterior con este nuevo diseño basado en CompactRIO para sus clientes existentes y presentará nuevas unidades para sus próximos clientes. Estamos seguros de que sus clientes estarán encantados.