Mise à niveau d’un couplemètre avec le matériel NI CompactRIO

​Contexte

​Notre client, fabricant de moteurs électriques et d’équipements de transmission mécanique de puissance, proposait un couplemètre spécialisé basé sur une électronique obsolète. La conception de ce couplemètre datait de plusieurs décennies, donc notre client nous a contactés pour mettre à niveau ce couplemètre en raison de notre expérience dans les domaines suivants :

• ​Conception et construction d’électronique personnalisée pour les applications de surveillance embarquées
• ​Expertise en rétro-ingénierie
• ​Fabrication en petite série d’électronique personnalisée

​Les défis

​L’application exigeait une classification Classe 1/Div 2, ainsi que les certifications CE, UL et FCC habituelles. Le couplemètre existant comprenait deux capteurs (que nous pouvions conserver), de l’électronique pour conditionner le signal des sorties du capteur et un petit microprocesseur pour communiquer avec le monde extérieur. Comme d'habitude, la documentation de ce couplemètre existant était incomplète, nécessitant une rétro-ingénierie pour comprendre la portée du projet.

​Étant donné qu’il s’agit d’une rénovation, la conception de remplacement devrait répondre à ces mêmes exigences au minimum. De plus, le client souhaitait que nous améliorions la capacité de mesure et que nous ajoutions des fonctionnalités pour améliorer l’expérience de l’opérateur. Les sorties du couplemètre devaient communiquer avec les API et l'ordinateur qui exécutait l'application opérateur (écrite dans NI LabVIEW) pour gérer les tendances de couple, les alarmes et la configuration du couplemètre.

​La solution​

​Présentation du couplemètre

​En raison d’une situation d’obsolescence, notre client avait besoin d’une conception de remplacement rapidement. Cependant, l’obtention des certifications pour la Classe 1/Div 2, et toutes les autres certifications, telles que CE, UL et FCC, prend beaucoup de temps. Nous avons envisagé des moyens de raccourcir le délai global et nous sommes convenus de combiner un système CompactRIO avec un module personnalisé de la Série C développé pour interfacer les capteurs du client. Cette voie reposait sur le fait que le Contrôleur CompactRIO et le châssis répondaient déjà aux certifications Classe 1/Div 2, CE, UL et autres, réduisant ainsi le temps et la complexité globaux de certification de l’ensemble du système. Nous avons choisi le contrôleur cRIO-9042 et le châssis à 4 emplacements.

​Un autre avantage de la décision de baser le couplemètre sur un système CompactRIO était la disponibilité d’autres modules NI. Par exemple, les capteurs sont légèrement affectés par la température, nous avons donc inclus un module RTD à 4 voies pour mesurer la température du capteur. Nous avons également inclus une sortie analogique 0-20 mA à 4 voies pour diffuser les valeurs de couple vers d’autres systèmes, tels qu’un APL, qui utilisaient ce signal pour suivre, alarmer et éventuellement arrêter les moteurs d’entraînement.

​Enfin, nous voulions placer plus de fonctionnalités système dans le logiciel et moins dans le matériel. Le microcontrôleur dans la conception existante était très modeste dans ses capacités ; une grande partie du conditionnement du signal et du traitement de base, tel que le filtrage, était effectuée dans le matériel. Avec la puissance de traitement disponible dans le Contrôleur CompactRIO, nous pourrions utiliser le frontal matériel pour un certain conditionnement du signal et utiliser un logiciel pour effectuer le traitement du signal restant et la conversion des valeurs brutes en couple. Cette approche est plus flexible et facile à maintenir que la conception précédente. En fait, lorsque nous avons constaté lors de la mise au point du système que certaines exigences initiales n’étaient pas décrites correctement, nous avons pu apporter une modification au logiciel. Une modification matérielle aurait retardé le calendrier de livraison.

​Conception matérielle personnalisée

​NI permet aux développeurs tiers de concevoir et de construire des modules personnalisés de la Série C en suivant les indications et exigences matérielles et logicielles du kit de développement des modules (MDK) CompactRIO.

​Voici des exemples de directives MDK :

• ​Une EEPROM doit contenir un ID unique pour l'identification du module lorsqu'elle est connectée au fond de panier.
• ​L'interface du module de la Série C utilise 11 lignes de signaux sur le fond de panier, dont deux ont une fonctionnalité fixe prédéfinie. Notre module devait donc utiliser les neuf autres lignes pour communiquer la configuration, les données et l’état au contrôleur via la couche FPGA.
• ​Le circuit personnalisé devait tenir physiquement dans la coque de module de la Série C.
• ​La consommation d'énergie doit être inférieure aux limites spécifiées.

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​De nombreuses autres exigences sont énoncées dans la documentation MDK. L'image suivante montre le circuit imprimé que nous avons conçu.

​L'image suivante montre la carte de circuit imprimé inséré dans la coque de module de la Série C.

Notre conception matérielle personnalisée prend les signaux des deux capteurs de position et les conditionne en impulsions numériques pour une analyse de cadencement en aval. Comme les amplitudes du signal changent en fonction des conditions de fonctionnement, ce conditionnement du signal utilise un seuillage dépendant de l'amplitude du signal combiné à une hystérésis de rebond.

​Conception logicielle

​Notre module personnalisé utilise un FPGA et un VHDL embarqués pour communiquer avec les nœuds d'E/S LabVIEW FPGA du système CompactRIO conformément aux spécifications du MDK. Le code CompactRIO LabVIEW FPGA détecte les fronts des deux signaux numériques et les horodate avec une haute résolution. Les résultats sont transmis à une application LabVIEW Real-Time.

​Cette application produit des mesures de couple via Modbus Ethernet, Modbus 485 série et un signal analogique de 0 à 20 mA.

​Une application opérateur, développée dans LabVIEW pour Windows, s'interface avec le contrôleur CompactRIO en tant que périphérique Modbus. Les données de couple, les informations d'état et toute erreur sont accessibles à l'aide des registres Modbus. L’interface utilisateur opérateur de cette application permet de configurer chaque couplemètre pour une configuration spécifique (type de capteur, étalonnages, etc.). Enfin, le couplemètre peut également communiquer avec un APL pour contrôler leur moteur, surveiller leur équipement et effectuer un arrêt en toute sécurité si nécessaire.

​Résultats et progrès

​Une considération importante dans notre conception était le cycle de vie des composants afin que le client n’ait pas à s’inquiéter de l’obsolescence pendant de nombreuses années.

​Dans cet objectif, nous avons conçu spécifiquement pour les critères suivants :

• ​Minimiser les fonctionnalités du module de la Série C de sorte que lorsque ce matériel devient obsolète, les efforts de conception de matériel de remplacement sont simplifiés.
• ​Maximisation des fonctionnalités réalisées dans le logiciel pour une gestion plus simple du cycle de vie.
• ​Tirer parti de la gestion du cycle de vie de NI pour le reste des composants CompactRIO.

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​Cette approche diminue la préoccupation de notre client quant à l’obsolescence éventuelle.

​À l’avenir, notre client remplacera le couplemètre précédent par cette nouvelle conception basée sur CompactRIO pour ses clients existants et commercialisera de nouvelles unités pour ses clients futurs. Nous sommes sûrs que leurs clients seront heureux.