NI CompactRIOハードウェアでトルク計測メーターをアップグレードする

​​背景

​当社の顧客は、電気モーターおよび機械動力伝達装置の製造元で、旧式電子機器をベースにした特殊なトルクメータを提供しました。このメータの設計は数十年も前のもので、以下の分野での経験により、お客様からこのメータをアップグレードするように連絡がありました。

• ​組込監視アプリケーション用のカスタムエレクトロニクスの設計と構築
• ​リバースエンジニアリングの専門知識
• ​小ロット製造カスタムエレクトロニクス

​​課題

​アプリケーションには、Class 1/Div 2定格、および通常のCE、UL、FCC認証が必要でした。既存のメータには、2つのセンサ（保持可能）、センサ出力の信号調節用の電子回路、および外部との通信用の小型マイクロプロセッサが含まれています。例によって、この既存のメータのドキュメントは不完全であり、プロジェクト範囲を理解するためにリバースエンジニアリングが必要でした。

​改良型であるため、置換設計は少なくともこれらの同じ要件を満たす必要があります。このベースラインに加えて、クライアントは測定機能を改善し、オペレータの経験を向上させる機能を追加することを望んでいました。メータからの出力は、PLCおよびオペレータアプリケーション（NI LabVIEWで記述）を実行するPCと通信して、トルクトレンド、アラーム、およびメータ構成を管理する必要がありました。

​ソリューション

​メータの概要

​旧式化の状況により、クライアントは代替設計を早急に必要としていました。ただし、Class 1/Div 2、およびCE、UL、FCCなどの他のすべての認証の取得には時間がかかります。全体的なスケジュールを短縮する方法を検討し、CompactRIOシステムとクライアントのセンサをインタフェースするために開発されたカスタムCシリーズモジュールを組み合わせることにしました。このパスは、CompactRIOコントローラとシャーシがClass 1/Div 2、CE、UL、およびその他の認証をすでに満たしており、システム全体の認証にかかる全体的な時間と複雑さが軽減されていることを前提にしています。cRIO-9042コントローラと4スロットシャーシを選択しました。

​CompactRIOシステムをメータのベースとすることに決めたもう1つの利点は、他のNIモジュールが利用可能であることです。たとえば、センサは温度によってわずかに影響を受けるため、センサの温度を測定する4チャンネルRTDモジュールを含めました。また、4チャンネルの0～20 mAアナログ出力を使用して、PLCなどの他のシステムにトルク値をブロードキャストし、この信号を使用して駆動モータのトレンド、アラーム、場合によってはシャットダウンを行います。

​最後に、ハードウェアではなくソフトウェアにより多くのシステム機能を配置したいと考えました。既存のマイクロコントローラは、その機能は非常に控えめで、信号調節やフィルタ処理などの基本的な処理の多くはハードウェアで実行されていました。CompactRIOコントローラの処理能力があれば、ハードウェアフロントエンドを信号調節に使用し、残りの信号処理と未処理値のトルク変換をソフトウェアで行うことができます。このアプローチは、以前の設計よりも柔軟性と保守性に優れています。実際、システムのデバッグ中に、初期要件の一部が正しく記述されていないことが判明したため、ソフトウェアに変更を加えることができました。ハードウェアを変更すると、配送スケジュールに遅延が生じます。

​カスタムハードウェア設計

​NIでは、CompactRIOモジュール開発キット (MDK) のハードウェアおよびソフトウェアのガイドラインと要件に従って、他社製のカスタムCシリーズモジュールを設計およびビルドすることができます。

​MDKガイドラインの例を次に示します。

• ​EEPROMは、バックプレーンに接続されている場合、モジュールを識別するために固有のIDを保持する必要があります。
• ​Cシリーズモジュールインタフェースは、バックプレーンで11の信号ラインを使用します。そのうち2つの信号ラインはあらかじめ定義された固定された機能を備えています。そのため、このモジュールは、FPGAレイヤを介して構成、データ、およびステータスをコントローラに伝達するために、他の9つのラインを使用する必要がありました。
• ​カスタム回路は、Cシリーズモジュールのシェルに物理的に取り付ける必要がありました。
• ​消費電力は指定された制限値未満である必要があります。

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​その他の要件については、MDKのドキュメントに記載されています。以下の画像は、設計したPCBを示します。

​以下の図は、Cシリーズモジュールシェルに挿入されたPCBを示します。

当社のカスタムハードウェア設計は、2つの位置センサからの信号をデジタルパルスに変換し、後続のタイミング解析に使用します。信号の振幅は動作条件によって変化するため、この信号調節は信号振幅依存の2値化とデバウンスヒステリシスを使用します。

​ソフトウェア設計

​カスタムモジュールは、MDKの仕様に従ってオンボードFPGAおよびVHDLを使用してCompactRIOシステムLabVIEW FPGA I/Oノードと通信します。CompactRIO LabVIEW FPGAコードは、2つのデジタル信号のエッジを検出し、高分解能でタイムスタンプを付けます。結果はLabVIEW Real-Timeアプリケーションに渡されます。

​このアプリケーションは、Modbus Ethernet、Modbus 485シリアル、およびアナログ0～20 mA信号を介してトルク測定を出力します。

​Windows用LabVIEWで開発されたオペレータアプリケーションは、CompactRIOコントローラをModbusデバイスとしてインタフェースします。Modbusレジスタを使用して、トルクデータ、ステータス情報、およびエラーにアクセスします。このアプリケーションのオペレータユーザインタフェースでは、各メータを特定の設定 (センサタイプ、キャリブレーションなど) に構成できます。最後に、メータはPLCと通信して、モータの制御、機器の監視、安全なシャットダウンを実行することもできます。

​成果と前進

​当社の設計では、クライアントが長年にわたる陳腐化を心配しないように、コンポーネントのライフサイクルを重視しました。

​この目標を念頭に置き、以下の基準に基づいて設計しました。

• ​Cシリーズモジュールの機能を最小化して、このハードウェアが旧式になった場合でも、代替ハードウェアを設計する作業を簡素化します。
• ​シンプルなライフサイクル管理のために、ソフトウェアで実行される機能を最大化すること。
• ​CompactRIOコンポーネントの残りの部分をNIライフサイクル管理で管理します。

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​このアプローチにより、お客様の陳腐化に対する懸念が軽減されます。

​今後、お客様は、既存のお客様向けに以前のトルクメータをこの新しいCompactRIOベースの設計に交換し、次のお客様向けに新しいユニットを準備する予定です。きっとお客様に喜んでいただけると思います。