使用 NI CompactRIO 硬體升級轉矩量測儀
使用者解決方案焦點
- NI CompactRIO (cRIO) 平台的彈性與功能相當強大,能支援我們替換過時轉矩計的重要元件。
- CompactRIO 模組開發組合可協助我們建立客制化 CompactRIO 模組,以執行系統所需的特殊作業。
- NI cRIO-9042 控制器上的 FPGA 速度支援進行高解析度的數位訊號邊緣偵測。
「CompactRIO 的效能與靈活性協助我們升級並新增功能,讓我們的客戶能使用過時的 Class 1/Div 2 轉矩量測儀。」
—James Campbell
挑戰
我們的客戶需要更新專用的轉矩量測儀。必須具備 Class 1/Div 2 等級,還要具備常見的 CE、UL 與 FCC 認證。新設計可介接現有感測器、提升量測功能,並新增功能以提升操作人員的體驗。此外還會與 PLC 和 PC 通訊，以管理轉矩趨勢、警示與量測儀設定。
解決方案
我們以 NI cRIO-9042 為基礎 (已通過 Class 1/Div 2、CE 與 UL 認證) 打造出一套系統,其中包含多種 C 系列模組,可搭配現有的感測器使用、與 PLC 通訊,並為系統新增功能。我們使用 cRIO-9951 模組開發組合建立客制化的 C 系列模組,以便接收定位感測器的訊號,並透過 FPGA 將訊號傳送至下游,以利進行時序分析。
背景
我們的客戶是電動馬達與機械動力傳輸設備的製造商，並提供以停產電子產品為基礎的專屬轉矩量測儀。此量測儀的設計已經有數十年，因此，我們的客戶根據在下列領域的經驗，與我們聯絡以升級此量測儀：
- 針對嵌入式監控應用設計與建立客制化電子產品
- 反向工程專業知識
- 小批量製造客制化電子產品
挑戰
此用途必須具備 Class 1/Div 2 等級,再加上常見的 CE、UL 與 FCC 認證。現有的量測儀包含 2 個感測器 (我們可以保留這些感測器)、用於處理感測器輸出的訊號的電子元件，以及一個用於與外界通訊的小型微處理器。如同往常一樣，此現有量測儀的說明文件不完整，因此必須透過反向工程來釐清專案範圍。
替換設計是回復式設計,因此至少必須符合相同需求。除了此基準值之外,客戶希望我們改善量測功能並新增一些功能,以提升操作人員的體驗。量測儀的輸出必須與 PLC 和執行以 NI LabVIEW 編寫的操作應用程式的 PC 通訊，以管理轉矩趨勢、警示與量測儀設定。
解決方案
量測儀概述
由於我們遇到停產情況,我們的客戶需要快速進行替換設計。不過,取得 Class 1/Div 2 認證,以及所有其他認證 (例如 CE、UL 與 FCC) 都需要耗費大量時間。我們考慮了如何縮短整體時程表,並決定結合 CompactRIO 系統與專為介接客戶感測器而開發的客制化 C 系列模組。此途徑以 CompactRIO 控制器與機箱已符合 Class 1/Div 2、CE、UL 與其他認證為基礎,進而縮短整個系統進行認證的整體時間與複雜度。我們選用 cRIO-9042 控制器與 4 插槽機箱。
選擇以 CompactRIO 系統為架構的量測儀的另一個優勢是，可以沿用其他 NI 模組。舉例來說,感測器會受到溫度的微幅影響,因此我們納入了 4 通道 RTD 模組來量測感測器溫度。我們也納入了 4 通道 0-20 mA 類比輸出,可將轉矩值廣播至其他系統,例如 PLC,該系統會使用此訊號進行趨勢、警示,以及關閉驅動馬達。
最後,我們想要將更多系統功能放在軟體中,而不是將更多功能放在硬體中。現有設計中的微控制器功能相當精簡,大部分的訊號處理與過濾等基本處理作業都是透過硬體完成的。CompactRIO 控制器提供的處理效能讓我們能夠使用硬體前端進行訊號處理，並使用軟體處理剩餘的訊號，並將原始值轉換為轉矩。相較於先前的設計,此方式更靈活且可維護。事實上,當我們在系統除錯期間發現初始需求的部分描述不正確時,我們就能變更軟體。更改硬體會延遲交貨時程。
客制硬體設計
NI 可根據 CompactRIO 模組開發組合 (MDK) 中的軟硬體準則與需求,讓第三方開發人員設計並建置客制化的 C 系列模組。
以下舉例說明 MDK 準則:
- 插入背板時,EEPROM 需要具備唯一的 ID,以便識別模組。
- C 系列模組介面使用背板上的 11 個訊號線路,其中 2 個線路具有預先定義的固定功能。因此,我們的模組必須使用其他九個通道,透過 FPGA 層將設定、資料與狀態傳達至控制器。
- 實際安裝在 C 系列模組外殼所需的客制電路。
- 耗電量必須低於指定的限制。
MDK 文件會說明許多其他需求。下圖為我們設計的 PCB。
下圖顯示 C 系列模組框中插入的 PCB。
我們的客製化硬體設計會接收 2 組定位感測器的訊號,並將其調變為數位脈衝,以利進行下游時序分析。由於訊號振幅會根據作業條件而有所變化,因此,這種訊號處理作業會使用與訊號振幅相關的臨界值,並結合去抖動磁滯。
軟體設計
我們的客制化模組使用內建的 FPGA 與 VHDL,根據 MDK 規格與 CompactRIO 系統 LabVIEW FPGA I/O 節點進行通訊。CompactRIO LabVIEW FPGA 程式碼可偵測兩個數位訊號的邊緣,並以高解析度進行時間戳記。結果會傳遞至 LabVIEW Real-Time 應用程式。
此應用可透過 Modbus 乙太網路、Modbus 485 序列與類比 0-20 mA 訊號輸出轉矩量測。
LabVIEW for Windows 中開發的操作應用程式,可介接 CompactRIO 控制器做為 Modbus 裝置。使用 Modbus 暫存器即可存取轉矩資料、狀態資訊與任何錯誤。此應用的操作人員使用者介面可針對特定設定 (感測器類型、校準等) 設定每個錶。最後,電錶也能與 PLC 通訊,用於控制馬達、監控設備,以及視需要執行安全關機。
結果與進一步發展
我們設計的其中一項重要考量是元件生命週期,以便客戶不必擔心長期過時。
為達成此目標,我們專為下列條件所設計:
- 盡可能減少 C 系列模組的功能,以便在硬體過時後,輕鬆設計替換硬體。
- 充分發揮軟體內建的功能,進而簡化軟體的生命週期管理作業。
- 運用 NI 生命週期管理功能處理其他 CompactRIO 元件。
如此一來,我們的客戶就最終停產的擔憂也隨之降低了。
未來，我們的客戶會將先前的轉矩量測儀換成全新的 CompactRIO 架構設計，以供其現有客戶使用，並為其後續客戶提供新組件。我們相信客戶會很滿意。