Uproszczenie prób elektromechanicznych dzięki systemowi akwizycji danych opartemu na USB

Systemy elektromechaniczne łączą w sobie komponenty elektryczne i mechaniczne, tworząc takie urządzenia jak: silniki, sprężarki, pompy, czujniki, aktuatory i elektronika sterująca w zastosowaniach produkcyjnych, lotnictwie i kosmonautyce, motoryzacji, medycynie i robotyce. Urządzenia te muszą być testowane i monitorowane pod względem elektrycznym i mechanicznym, aby zagwarantować prawidłowe działanie.

Aby zapewnić dokładne i wiarygodne dane, niezbędny sprzęt musi być kompatybilny z badanym urządzeniem oraz metodą lub procedurami przeprowadzania prób. Urządzenia probiercze muszą obsługiwać wiele analogowych i cyfrowych kanałów wejścia-wyjścia (I/O) do pomiaru wspomnianych wcześniej urządzeń i sterowania nimi, a także być wyposażone w podstawowe przyrządy pomiarowe, takie jak liczniki, układy czasowe i zasilacze. Przyrządy probiercze muszą współpracować ze zintegrowanym oprogramowaniem w celu przekazywania pomiarów, wizualizacji w czasie rzeczywistym i wyświetlania szczegółowych raportów.

Dobór i integracja niezbędnego sprzętu oraz oprogramowania do przeprowadzenia tych prób mogą być czasochłonne i kosztowne. Aby wspomóc projektantów, opracowano modułowe przyrządy USB do akwizycji danych, które łączą w sobie najnowocześniejszą technologię z szeroką gamą narzędzi do testowania oprogramowania w celu walidacji najbardziej złożonych systemów elektromechanicznych.

W niniejszym artykule opisano wyzwania stojące przed projektantami testującymi urządzenia elektromechaniczne. W jego dalszej części opisujemy przyrządy mioDAQ firmy NI i pokazujemy, w jaki sposób można je zastosować, aby uprościć standardowe próby elektromechaniczne w celu przyspieszenia prac rozwojowych i wdrażania.

Próby elektromechaniczne

Rozważmy proste stanowisko do prób silników składające się z silnika zamontowanego na uchwycie pomiarowym połączonym z obciążeniem zawieszonym pomiędzy dwoma blokami łożyskowymi (ilustracja 1). Platformą steruje kontroler silnika, który steruje jego prędkością w oparciu o napięcie elektryczne. Układ wykorzystuje tachometry optyczne do pomiaru prędkości obrotowej silnika oraz trzy przyspieszeniomierze do pomiaru drgań mechanicznych w kierunkach X, Y i Z na wewnętrznym bloku łożyskowym.

Ilustracja 1: na ilustracji przedstawiono stanowisko do prób wibracyjnych silnika, które wykorzystuje tachometr optyczny do pomiaru prędkości obrotowej silnika oraz przyspieszeniomierze do pomiaru drgań silnika wzdłuż trzech prostopadłych osi wewnętrznego bloku łożyskowego. (Źródło ilustracji: NI)

Celem stanowiska do prób jest określenie szczytowych poziomów drgań i prędkości obrotowej, przy której one występują. Procedura polega na liniowej zmianie prędkości silnika z jednoczesnym monitorowaniem poziomów drgań i rejestracją obu wartości.

Do przeprowadzenia tej próby potrzebne są różne przyrządy. Po pierwsze, do monitorowania i rejestrowania trzech sygnałów wyjściowych przyspieszeniomierza wymagane są analogowe kanały pomiarowe. Inny kanał analogowy musi monitorować obrotomierz, aby zmierzyć prędkość obrotową silnika. Do sterowania prędkością silnika wymagane jest analogowe napięcie wyjściowe. Wyjście sygnału cyfrowego ostrzega kontroler silnika o konieczności włączenia i wyłączenia silnika. Do wyboru kierunku obrotów silnika można użyć innego wyjścia sygnału cyfrowego.

Tak więc, najprościej rzecz ujmując, omawiana próba silnika wymaga co najmniej czterech wejść analogowych, jednego wyjścia analogowego i dwóch wyjść cyfrowych. Bardziej złożone próby mogą wymagać dodatkowo różnych czujników drgań, czujników temperatury, takich jak termopary, oraz przetworników ciśnienia.

System akwizycji danych

Do prób elektromechanicznych potrzebny jest system akwizycji danych (DAQ) składający się z urządzenia DAQ realizującego pomiary i sterowanie, komputera oraz oprogramowania pomocniczego. Wymagania te spełnia sprzęt do akwizycji danych USB mioDAQ firmy NI w postaci serii urządzeń USB-6400 NI, która obejmuje cztery urządzenia USB DAQ do wyboru (ilustracja 2).

Ilustracja 2: tabela podsumowująca charakterystyki czterech urządzeń z serii mioDAQ USB-6400. (Źródło ilustracji: NI)

Seria mioDAQ oferuje inżynierom przeprowadzającym próby system akwizycji danych (DAQ) w czterech opcjach konfiguracji:

• 16- lub 20-bitowa rozdzielczość amplitudy i wejścia pełnoskalowe maksymalnie ±10V
• Częstotliwość próbkowania 250kS/s w trybie multipleksowania lub 1MS/s
• Kanały wejściowe skonfigurowane jako 16 lub 32 jednostronne (SE), bądź jako 8 lub 16 różnicowe (DI)
• Dwa lub cztery kanały wyjściowe o zakresie ±10V do sterowania, symulacji lub generowania sygnałów

Wszystkie modele są sterowane i zasilane przez port USB-C i posiadają 16 cyfrowych linii wejścia-wyjścia oraz cztery 32-bitowe liczniki/układy czasowe. Wykorzystują one również wbudowaną podstawę czasu 100MHz, która steruje wszystkimi obwodami cyfrowymi, w tym zegarami próbkowania, liniami wyzwalającymi i licznikami/układami czasowymi. Każdy typ kanału ma oddzielny aparat czasowy oparty na wbudowanej podstawie czasu. Można ustawić różne częstotliwości taktowania dla analogowych kanałów wejściowych i wyjściowych oraz cyfrowych linii wejścia-wyjścia. Urządzenia mioDAQ USB firmy NI umożliwiają również autokalibrację za pomocą oprogramowania sterującego, które inicjuje proces autokalibracji oraz kompensuje zmiany środowiskowe i systemowe za pomocą równania kalibracji o wielu zmiennych, zapewniając szybką kalibrację bez zauważalnych opóźnień przetwarzania. Dane wynikowe są przechowywane we wbudowanej elektrycznie wymazywanej i programowanej pamięci tylko do odczytu (EEPROM).

Kolejną cechą urządzenia mioDAQ jest wtyk Smart ID, który pozwala wdrażać funkcje inteligentne w stanowisku probierczym. Wtyk Smart ID komunikuje się z dostarczoną przez użytkownika pamięcią 1-Wire EEPROM w celu odczytania informacji o badanym urządzeniu i upewnienia się, że kable są podłączone do odpowiednich portów. Wtyk zapewnia oszczędność czasu i redukcję błędów na stanowisku probierczym.

Dostępne są cztery różne modele urządzeń do akwizycji danych. Najbardziej ekonomicznym urządzeniem jest USB-6421 (789887-01). Posiada ono 16 kanałów jednostronnych (SE) lub 8 kanałów różnicowych (DI), używa pojedynczego multipleksowanego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) o prędkości próbkowania do 250kS/s i zawiera dwa analogowe kanały wyjściowe.

Urządzenie USB-6423 (789882-01) ma dwukrotnie większą liczbę multipleksowanych kanałów jednostronnych (SE) i różnicowych (DI) - odpowiednio 32 i 16 - a także więcej analogowych kanałów wyjść, czyli cztery.

W urządzeniu USB-6451 (789888-01) liczba przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) została zwiększona do ośmiu. Posiada ono również większą rozdzielczość dla prądu zmiennego (20 bitów) i maksymalną częstotliwość próbkowania (1MS/s). Oferuje osiem kanałów z jednoczesnym próbkowaniem i maksymalnie 16 kanałów w trybie multipleksowanym.

Urządzenie USB-6453 (789884-01) oferuje największe możliwości: dwukrotnie wyższa liczba 20-bitowych przetworników analogowo-cyfrowych o prędkości 1MS/s wynosząca 16 oraz większa maksymalna liczba kanałów przy jednoczesnym próbkowaniu (16) i w trybie próbkowania z multipleksowaniem (32).

Wszystkie cztery modele są zamknięte w obudowach o wymiarach 177mm szerokości, 30,4mm wysokości i 116,7mm głębokości (ilustracja 3).

Ilustracja 3: pełny widok urządzenia USB-6453 (po lewej) należącego do serii USB-6400 wraz z jego panelem przednim (z prawej, u góry) i tylnym (z prawej, u dołu). (Źródło ilustracji: NI)

Panel przedni zapewnia dostęp do wszystkich sygnałów analogowych i cyfrowych. Połączenia są wykonywane za pomocą dwóch 36-pozycyjnych złączy z zaciskami sprężynowymi do montażu od przodu, które pasują do przewodów o przekroju od 26AWG do 16AWG. Osłony tylne złączy z zaciskami sprężynowymi pełnią rolę elementów odciążających. Na potrzeby pomiarów termoparowych wbudowano funkcję kompensacji zimnego złącza (CJC).

Obudowa urządzenia mioDAQ posiada z tyłu i po bokach otwory montażowe do opaski zaciskowej oraz śrubę blokującą USB z tyłu, co pozwala na szybkie zabezpieczenie kabli i integrację przyrządu. Dostępne są opcjonalne zestawy montażowe umożliwiające przymocowanie urządzenia do 19-calowego stelaża lub szyn DIN w orientacji poziomej lub pionowej.

Dzięki opatrzeniu urządzeń mioDAQ kodami QR zagubiona dokumentacja to już przeszłość. Użytkownicy mogą zeskanować kod QR z tyłu modułu, aby uzyskać szybki dostęp do podręcznika użytkownika, specyfikacji, układu wtyków oraz łączy do pobierania oprogramowania sterującego i analitycznego oraz sterowników.

Specyfikacje kanałów

Dostępne są maksymalnie 32 analogowe kanały wejściowe z maksymalnym zakresem pełnoskalowym od -10V do +10V, rozdzielczością 16 lub 20 bitów oraz maksymalną częstotliwością próbkowania 250kS/s lub 1MS/s (zależnie od modelu). Niższe zakresy od -0,2V do +0,2V, od -1V do +1V oraz od -5V do +5V pozwalają na dopasowanie sygnału wejściowego do zakresu wejściowego w celu optymalizacji zakresu dynamicznego.

Wyjścia analogowe mają zakres napięć od -10V do +10V i są taktowane z częstotliwością 200kS/s na kanał. Mogą one wytwarzać nieokresowe lub okresowe przebiegi w celu generowania analogowych sygnałów sterujących lub w celu symulacji czujników.

Linie wejścia-wyjścia cyfrowego mogą być niezależnie ustawiane jako wejście lub wyjście. Można je programować za pomocą logicznych wartości progowych napięcia 5, 3,3 lub 2,5V i mogą one kierować zewnętrzne zegary lub sygnały wyzwalające do urządzenia lub sterować wewnętrznymi licznikami/układami czasowymi.

Oprogramowanie systemu akwizycji danych (DAQ)

Urządzenia mioDAQ mogą być sterowane za pomocą wielu pakietów oprogramowania, na przykład LabVIEW, LabVIEW+, Python oraz oprogramowania rejestrującego FlexLogger firmy NI. Sterownik NI-DAQmx firmy NI obsługuje niestandardowe programowanie w językach C/C++, C#, VB 6.0 i VB.NET i zawiera przykłady programowania oraz funkcje biblioteki dla operacji DAQ.

FlexLogger to niewymagający pisania kodu pakiet oprogramowania, który pozwala inżynierom przeprowadzającym badania na sterowanie, przeglądanie i zapisywanie danych z prób z urządzeń DAQ. Umożliwia on ustawienie limitów mierzonych wartości, a dostępne alarmy ostrzegają o stanach przekroczenia zakresów. Dodatkowo pozwala na szczegółową analizę danych z prób za pomocą wbudowanych narzędzi przetwarzania. Bezpłatna wersja FlexLogger Lite jest przeznaczona do ręcznego rejestrowania danych i podstawowych operacji na sprzęcie DAQ firmy NI. Na ilustracji 4 przedstawiono przykładową konfigurację kanału dla urządzenia USB-6421.

Ilustracja 4: widok konfiguracji kanałów urządzenia USB-6421 w oprogramowaniu FlexLogger Lite, w tym ustawień wejścia analogowego, wyjścia analogowego i wejścia-wyjścia cyfrowego. (Źródło ilustracji: Art Pini)

Analogowe kanały wejściowe są skonfigurowane do odczytu danych dotyczących drgań w trzech osiach oraz pomiarów ciśnienia, temperatury i poziomu dźwięku. Każde wejście jest skalowane do odczytu sygnałów w jednostkach odpowiednich do pomiaru. Wyjścia analogowe generują poziomy 5 i 3,3V, natomiast wejście-wyjście cyfrowe jest skonfigurowane do odczytu dwóch wejść cyfrowych.

FlexLogger to bardziej rozbudowany program przeznaczony do automatycznego testowania i rozszerzonej analizy danych. Pozwala on na dostosowywanie narzędzi do wizualizacji w interfejsie użytkownika poprzez dodawanie wykresów, wskaźników numerycznych i mierników. Ilustracja 5 przedstawia dane z próby silnika (z wkładkami magnetycznymi).

Ilustracja 5: wygląd oprogramowania FlexLogger z wynikami próby silnika. (Źródło ilustracji: NI)

Na górnej siatce pojawiają się przebiegi z trzech przyspieszeniomierzy i tachometru. Dane przyspieszenia to poziom drgań wyskalowany w g w funkcji czasu. W prawym dolnym rogu przedstawiono odczyt z tachometru mierzącego prędkość obrotową w obr./min w postaci tarczowej skali pomiarowej. Szybka transformacja Fouriera (jedno z dostępnych narzędzi przetwarzania sygnału) danych dotyczących drgań, widoczna na dolnym wykresie, pokazuje poziom drgań w funkcji częstotliwości.

Podsumowanie

Urządzenia mioDAQ firmy NI łączą w sobie nowoczesne technologie pomiarowe z łatwością obsługi. Inżynierowie zajmujący się próbami mogą budować zaawansowane elektromechaniczne systemy probiercze przy użyciu komponentów mioDAQ współpracujących z niewymagającym programowania oprogramowaniem, takim jak FlexLogger firmy NI lub wielokrotnie nagradzanym oprogramowaniem systemowym, takim jak LabVIEW firmy NI do bardziej zaawansowanych testów.