NI CompactRIO 하드웨어로 토크 측정계 업그레이드하기

​배경

​전기 모터 및 기계적 전력 전송 장비 제조업체인 저희 고객은 단종된 전자 부품 기반의 특수 토크 미터를 제공했습니다. 이 미터의 설계는 수십 년 전이었기 때문에, 고객님께서 다음과 같은 분야에서의 경험을 바탕으로 이 미터를 업그레이드하려고 연락하셨습니다.

• ​임베디드 모니터링 어플리케이션을 위한 맞춤형 전자 제품 설계 및 구축하기
• ​역엔지니어링 전문성
• ​사용자 정의 전자 제품의 소량 배치 제조

​과제

​이 어플리케이션은 일반적인 CE, UL, FCC 인증과 함께 Class 1/Div 2 등급을 필요로 했습니다. 기존의 미터에는 두 개의 센서(저희가 유지할 수 있는 센서), 센서 출력을 컨디셔닝하는 전자 장치, 외부와 통신하는 작은 마이크로프로세서가 포함되어 있습니다. 일반적으로 이 기존 미터의 문서는 완전하지 않으며, 프로젝트 범위를 이해하려면 역공학이 필요합니다.

​재구성된 경우, 대체 설계는 최소한 이러한 요구사항에 부합해야 합니다. 이 기준선에 따라, 클라이언트는 측정 기능을 향상시키고 운영자 환경을 향상시키는 일부 기능을 추가하도록 요청했습니다. 미터의 출력은 PLC, 그리고 토크 트렌드, 알람, 미터 설정을 관리하는 NI LabVIEW 기반 운영자 어플리케이션을 실행하는 PC와 통신해야 했습니다.

​솔루션

​미터 개요

​더 이상 사용되지 않는 경우, 클라이언트가 신속하게 대체 설계를 해야 했습니다. 그러나, Class 1/Div 2 및 CE, UL, FCC와 같은 다른 모든 인증에 대한 인증을 얻는 데 시간이 오래 걸립니다. 전체적인 타임라인을 단축하는 방법을 고려하여 CompactRIO 시스템과 클라이언트의 센서와 인터페이스를 연결할 수 있도록 개발된 맞춤형 C 시리즈 모듈을 결합하도록 결정했습니다. 이 경로는 CompactRIO 컨트롤러와 섀시가 이미 Class 1/Div 2, CE, UL 및 기타 인증을 충족했기 때문에 전체 시스템의 인증에 필요한 시간과 복잡성이 줄어듭니다. cRIO-9042 컨트롤러와 4 슬롯 섀시를 선택하였습니다.

​CompactRIO 시스템을 기반으로 하는 측정기의 또 다른 장점은 다른 NI 모듈을 사용할 수 있다는 점입니다. 예를 들어, 센서는 온도에 약간 영향을 받기 때문에 4 채널 RTD 모듈을 포함하여 센서 온도를 측정했습니다. 또한 4 채널 0-20 mA 아날로그 출력을 포함하여 토크 값을 PLC와 같은 다른 시스템에 전송합니다. 이 신호를 사용하여 트렌드, 알람, 드라이브 모터를 종료할 수 있습니다.

​마지막으로, 소프트웨어에 더 많은 시스템 기능을 배치하고 하드웨어에 더 적은 기능을 배치하려고 했습니다. 기존 디자인의 마이크로컨트롤러의 기능은 매우 낮았습니다. 필터링과 같은 신호 컨디셔닝 및 기본 처리는 대부분 하드웨어에서 수행되었습니다. CompactRIO 컨트롤러에서 사용 가능한 처리 전원을 사용하면, 일부 신호 컨디셔닝에 하드웨어 프런트엔드를 사용하고 소프트웨어를 사용하여 나머지 신호를 처리하고 원시 값을 토크로 변환할 수 있습니다. 이 방식은 이전 설계보다 유연하고 관리가 용이합니다. 실제로, 시스템 디버그 중 초기 요구사항 중 일부가 올바르게 설명되지 않았다는 것을 알게 되었을 때 소프트웨어를 변경할 수 있었습니다. 하드웨어를 변경하면 배송 일정이 지연될 수 있습니다.

​사용자 하드웨어 설계

​NI는 타사 개발자가 CompactRIO Module Development Kit (MDK)의 하드웨어 및 소프트웨어 가이드라인 및 요구사항을 따라 맞춤형 C 시리즈 모듈을 설계 및 빌드할 수 있도록 지원합니다.

​다음은 MDK 가이드라인의 예입니다.

• ​백플레인에 연결되었을 때 모듈을 식별할 수 있도록 EEPROM에 고유한 ID가 저장되어 있어야 합니다.
• ​C 시리즈 모듈 인터페이스는 백플레인의 11개 신호 라인을 사용하며, 이 중 2개는 고정된 미리 정의된 기능을 가지고 있습니다. 따라서 모듈은 다른 9개 라인을 사용하여 FPGA 레이어를 통해 설정, 데이터, 상태를 컨트롤러에 전달해야 했습니다.
• ​C 시리즈 모듈 쉘에 물리적으로 맞추어야 하는 사용자 정의 회로.
• ​전력 소비량은 지정된 리미트 미만이어야 합니다.

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​기타 많은 요구사항은 MDK 문서에 설명되어 있습니다. 다음 그림은 설계한 PCB를 보여줍니다.

​다음 그림은 C 시리즈 모듈 쉘에 삽입되는 PCB를 보여줍니다.

NI의 맞춤형 하드웨어 설계는 두 위치 센서에서 신호를 가져와 다운스트림 타이밍 분석을 위해 디지털 펄스로 조절합니다. 신호의 진폭은 작동 조건에 따라 달라지기 때문에, 이 신호 컨디셔닝은 신호 진폭에 의존적인 임계점을 디바운스 히스테리시스와 결합하여 사용합니다.

​소프트웨어 설계

​당사의 맞춤형 모듈은 내장 FPGA 및 VHDL을 사용하여 MDK의 사양에 따라 CompactRIO 시스템 LabVIEW FPGA I/O 노드와 통신합니다. CompactRIO LabVIEW FPGA 코드는 두 디지털 신호의 가장자리를 감지하고 높은 해상도로 타임스탬프합니다. 결과는 LabVIEW Real-Time 어플리케이션에 전달됩니다.

​이 어플리케이션은 Modbus 이더넷, Modbus 485 시리얼, 아날로그 0-20 mA 신호를 통해 토크 측정을 출력합니다.

​Windows용 LabVIEW로 개발된 운영자 어플리케이션은 CompactRIO 컨트롤러와 Modbus 디바이스로 상호작용합니다. 토크 데이터, 상태 정보, 모든 에러는 Modbus 레지스터를 사용하여 확인할 수 있습니다. 이 어플리케이션의 운영자 사용자 인터페이스를 사용하면 각 미터를 특정 설정(센서 타입, 교정 등)에 맞게 설정할 수 있습니다. 마지막으로, 미터는 또한 모터를 컨트롤하고, 장비를 모니터하고, 필요한 경우 안전하게 종료할 수 있도록 PLC와 통신할 수 있습니다.

​결과 및 앞으로 이동하기

​NI의 설계에서 중요한 고려사항은 컴포넌트 수명 주기를 고려하여 클라이언트가 오래 사용되지 않아도 되는 경우입니다.

​이러한 목표를 고려하여, NI는 다음 기준에 맞게 특별히 설계되었습니다:

• ​C 시리즈 모듈의 기능을 최소화하여 이 하드웨어가 더 이상 사용되지 않으면 대체 하드웨어를 설계하는 작업이 간소화되도록 합니다.
• ​소프트웨어의 기능을 최대화하여 보다 간단한 수명 주기 관리
• ​나머지 CompactRIO 구성요소에 대한 NI 주기 관리 활용하기

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​이 방법을 사용하면 고객이 최종 사용되지 않음을 우려하는 경우가 줄어듭니다.

​앞으로, 클라이언트는 기존 고객을 위해 이전 토크 미터를 이 새로운 CompactRIO 기반 설계로 교체하고 새 고객을 위해 새로운 유닛을 필드합니다. 고객이 반드시 만족할 것이라고 확신합니다.