פשטו את הבדיקות האלקטרומכניות עם מערכת איסוף נתונים מבוססת-USB

מערכות אלקטרומכניות משלבות רכיבים חשמליים ומכניים עבור מכשירים כגון מנועים, מדחסים, משאבות, חיישנים, מפעילים ואלקטרוניקת בקרה ביישומי ייצור, תעופה וחלל, רכב, רפואה ורובוטיקה. התקנים אלה חייבים להיבדק ולהינטר חשמלית ומכנית כדי להבטיח פעולה תקינה.

כדי לספק נתונים מדויקים ומהימנים, הציוד הדרוש חייב להיות תואם להתקן הנבדק ולשיטת הבדיקה או לנהלים. ציוד הבדיקה חייב לטפל במספר ערוצי כניסה/יציאה (I/O) אנלוגיים ודיגיטליים כדי למדוד ולבקר התקנים אלה, יחד עם מכשירי מדידה בסיסיים כמו מונים/טיימרים וספקי כוח. מכשירי הבדיקה חייבים לעבוד עם תוכנה משולבת כדי לספק מדידות, תצוגות בזמן אמת ודוחות מפורטים.

בחירה ושילוב של החומרה והתוכנה הדרושים לביצוע בדיקות אלו עשויות להיות גוזלות זמן ולהיות יקרות. כדי לסייע למתכננים פותחו מכשירי איסוף נתונים USB מודולריים המשלבים את הטכנולוגיה העדכנית ביותר עם מגוון רחב של כלי בדיקת תוכנה כדי לאמת את המערכות האלקטרו-מכניות המורכבות ביותר.

מאמר זה מתאר את האתגרים העומדים בפני מתכננים הבודקים מכשירים אלקטרומכניים. לאחר מכן הוא מציג את מכשירי mioDAQ‏ של NI‏ ומראה כיצד ניתן ליישם אותם כדי לפשט בדיקות אלקטרו-מכניות סטנדרטיות ולהאיץ את הפיתוח והפריסה.

בדיקות אלקטרומכניות

בחנו מתקן בדיקת מנוע פשוט הכולל מנוע המותקן על מתקן בדיקה ומחובר לעומס התלוי בין שני בלוקי מסבים (איור 1). המתקן נשלט באמצעות בקר מנוע, המבקר את מהירות המנוע על בסיס מתח חשמלי. הסידור משתמש בטכומטר אופטי למדידת מהירות הסיבוב של המנוע ושלושה מדי תאוצה למדידת הרעידות המכניות בכיווני X, Y ו-Z ובבלוק המסב הפנימי.

איור 1: מוצג התקן בדיקת רעידות מנוע המשתמש בטכומטר אופטי למדידת מהירות הסיבוב של המנוע ובמדי תאוצה למדידת רעידות הקשורות למנוע לאורך שלושה צירים אורתוגונליים של בלוק המסב הפנימי. (מקור התמונה: NI)

מטרת מתקן הבדיקה היא לקבוע את שיא רמות הרעידות ואת מהירות הסיבוב שבה הם מתרחשים. ההליך כולל שינוי ליניארי של מהירות המנוע תוך ניטור רמות הרעידות ורישום שניהם.

יש צורך במכשירים שונים כדי להריץ בדיקה זו. ראשית, ערוצי מדידה אנלוגיים נדרשים לניטור ותיעוד של שלושת יציאות מד התאוצה. ערוץ אנלוגי אחר חייב לנטר את הטכומטר כדי למדוד את מהירות הסיבוב של המנוע. נדרש מתח יציאה אנלוגי כדי לבקר את מהירות המנוע. יציאת אות דיגיטלי מתריעה לבקר המנוע להפעיל ולכבות את המנוע. ניתן להשתמש ביציאת אות דיגיטלי נוסף לבחירת כיוון הסיבוב של המנוע.

אז, במקרה הפשוט ביותר, בדיקת מנוע זו דורשת מינימום של ארבע כניסות אנלוגיות, יציאה אנלוגית אחת ושתי יציאות דיגיטליות. בדיקות מורכבות יותר עשויות להוסיף חיישני רעידות נוספים, חיישני טמפרטורה כגון צמדים תרמיים ומתמרי לחץ, בין היתר.

מערכת איסוף הנתונים

לצורך בדיקות אלקטרומכניות יש צורך במערכת איסוף נתונים (DAQ) הכוללת התקן DAQ למדידה ובקרה, מחשב ותוכנה תומכת. חומרת איסוף הנתונים mioDAQ USB של NI‏ ממלאת צורך זה עם סדרת NI USB-6400, המספקת ארבעה התקני USB DAQ לבחירה (איור 2).

איור 2: טבלה זו מסכמת את המאפיינים של ארבעת ההתקנים בסדרת mioDAQ USB-6400. (מקור התמונה: NI)

סדרת mioDAQ מציעה למהנדסי בדיקה ארבע אפשרויות בתצורה של התקן DAQ:

• רזולוציית אמפליטודה של bit‏-16‏ או bit‏-20‏ עם כניסות מקסימליות של ±10 וולט בתחום-מלא
• קצבי דגימה של 250 קילו דגימות לשנייה (kS/s) עם מולטיפלקסר או 1 מגה דגימות לשנייה (MS/s)
• ערוצי כניסה המסודרים כ-16 או 32 ערוצי קצה-יחיד (Single-Ended‏) (SE) או 8 או 16 ערוצים דיפרנציאליים (DI)
• שניים או ארבעה ערוצי יציאה עם תחום של ±10 וולט עבור בקרה, סימולציה או יצירת אותות

כל הדגמים מבוקרים על ידי יציאת USB-C ומופעלים באמצעותם וכוללים 16 קווי I/O‏ דיגיטליים וארבעה מונים/טיימרים של Bit‏-32‏. הם גם משתמשים בבסיס זמן מובנה של 100 מגה-הרץ (MHz) הדוחף את כל המעגלים הדיגיטליים, כולל שעוני דגימה, קווי טריגר ומונים/טיימרים. לכל סוג ערוץ יש מנוע תזמון נפרד המבוסס על בסיס הזמן המובנה. ניתן להגדיר תזמון עבור ערוצי הכניסה ויציאה האנלוגיים וקווי ה-I/O הדיגיטליים בקצבים שונים. התקני mioDAQ USB‏ של NI‏ כוללים גם כיול-עצמי באמצעות תוכנת בקרה, היוזמת כיול-עצמי ומפצה על שינויים סביבתיים ושיטתיים באמצעות משוואת כיול רבת-משתנים עבור כיול מהיר ללא שיהוי עיבוד ניכר. אחסון הנתונים המתקבלים מתבצע ב-EEPROM מובנה.

מאפיין נוסף של התקן mioDAQ‏ הוא פין Smart ID‏, המוסיף אינטליגנציה לעמדת הבדיקה. פין Smart ID מתקשר עם EEPROM בעל חוט אחד המסופק על ידי המשתמש כדי לקרוא מידע על ההתקן הנבדק (DUT) ולהבטיח שהכבלים מחוברים לנקודות-החיבור הנכונות. הפין מציע חיסכון בזמן והפחתת שגיאות לעמדת הבדיקה.

קיימים ארבעה דגמים של התקני איסוף נתונים ספציפיים. ה-USB-6421‏ (‎789887-01‏) הוא ההתקן החסכוני ביותר. הוא מספק 16 ערוצי SE או 8 DI באמצעות ממיר אנלוגי-דיגיטלי (ADC) יחיד עם מולטיפלקסר הנדגם במהירות של עד kS/s‏ 250‏ וכולל ערוצי יציאה אנלוגית כפולים.

ה-USB-6423‏ (‎789882-01‏) מכפיל את מספר הערוצים עם מולטיפלקסר ל-32 SE או 16 DI ומגדיל את יכולת היציאה האנלוגית לארבעה ערוצים.

ה-USB-6451‏ (‎789888-01‏) מגדיל את מספר ה-ADCs‏ לשמונה. הוא גם מגדיל את רזולוציית ה-AC ל-bit‏-20‏ ואת קצב הדגימה המקסימלי ל-MS/s‏ 1‏. הוא מציע שמונה ערוצים עם דגימה בו-זמנית ועד 16 ערוצים עם מולטיפלקסר.

ה-USB-6453‏ (‎789884-01‏) מציע את היכולת המשמעותית ביותר; הוא מכפיל את מספר ה-ADCs‏ MS/s‏ 1‏, bit‏-20‏, ל-16‏ ומגדיל את מספר הערוצים המקסימלי ל-16‏ עם דגימה סימולטנית ול-32‏ עם דגימה עם מולטיפלקסר.

כל ארבעת הדגמים נתונים במארז ברוחב 177 מילימטרים (מ"מ), גובה 30.4 מ"מ ועומק 116.7 מ"מ (איור 3).

איור 3: מוצג מבט מלא של ה-USB-6453 (משמאל) שהוא חלק מסדרת USB-6400, יחד עם הפאנלים הקדמיים (ימין, למעלה) והאחוריים שלו (ימין, למטה). (מקור התמונה: NI)

הפאנל הקדמי מספק גישה לכל האותות האנלוגיים והדיגיטליים. החיבורים נעשים באמצעות שני מחברי הדקים קפיציים בהרכבת חזית בעלי 36 מיקומים, המקבלים חוטי AWG‏ 26‏# עד AWG‏ 16‏#. מסופקים גם מעטים-אחוריים (Backshell‏) עבור הדקים קפיציים עם מעצור מתיחה (Strain Relief‏). קיים קיזוז צומת קר (CJC‏) מובנה עבור מדידות צמד תרמי.

מארז התקני mioDAQ כולל חורי הרכבה עם אזיקון בגב ובצדדים ובורג נעילה USB בגב לאבטחת הכבלים ולשילוב המכשיר במהירות. קיימות ערכות הרכבה אופציונליות לאבטחת ההתקן לארון 19 אינץ' או למסילות DIN עם כיווניות אופקית או אנכית.

השימוש של mioDAQ בקוד QR פירושו שאיבוד תיעוד הוא נחלת העבר. המשתמשים סורקים את קוד ה-QR בגב המודול כדי לגשת במהירות למדריך למשתמש, למפרטים, למערך הפינים ולקישורים להורדת תוכנות בקרה וניתוח ומנהלי התקנים.

מפרטי הערוצים

ישנם עד 32 ערוצי כניסה אנלוגיים, עם תחום-מלא מקסימלי של V‏ 10‏- עד V‏ 10‏+, רזולוציה של bit‏-16‏ או bit‏-20‏, וקצב דגימה מקסימלי של kS/s‏ 250‏ או MS/s‏ 1‏ (בתלות בדגם). תחומי מתח נמוך יותר של V‏ 0.2‏- עד V‏ 0.2‏+, V‏ 1‏- עד V‏ 1‏+ ו-V‏ 5‏- עד V‏ 5‏+ מאפשרים להתאים את אות הכניסה לתחום הכניסות כדי למטב את התחום הדינמי.

ליציאות האנלוגיות יש תחום מתחים של V‏ 10‏- עד V‏ 10‏+ עם קצבי דגימה של kS/s‏ 200‏ לכל ערוץ. הם יכולים ליצור צורות גל לא-מחזוריות או מחזוריות כדי ליצור אותות בקרה אנלוגיים או לדמות חיישנים.

ניתן להגדיר באופן בלתי-תלוי את קווי ה-I/O‏ הדיגיטליים ככניסה או כיציאה. הם ניתנים-לתכנות עם ספי מתח לוגיקה של 5, 3.3 או 2.5 וולט ויכולים לנתב שעונים חיצוניים או להפעיל אותות לתוך ההתקן או לדחוף את המונים/טיימרים הפנימיים.

תוכנת DAQ

ניתן לבקר את התקני mioDAQ עם מספר חבילות תוכנה, כולל LabVIEW‏, +LabVIEW‏, Python‏ של NI‏ ותוכנת הרישום FlexLogger‏ של NI‏. דוחף NI-DAQmx‏ של NI תומך בתכנות מותאם-במיוחד ב-++C/C‏, #‏C‏, VB 6.0‏ ו-VB.NET‏ והוא כולל דוגמאות תכנות ופונקציות ספרייה עבור פעולות DAQ‏.

FlexLogger היא חבילת תוכנה ללא-קוד המאפשרת למהנדסי בדיקות לבקר, להציג ולשמור נתוני בדיקה מהתקני DAQ‏. היא מאפשרת להגדיר גבולות על ערכים נמדדים בעוד שהתרעות מזהירות מפני תנאים שהם מחוץ-לתחום ומאפשרות ניתוח מפורט של נתוני בדיקה עם כלי עיבוד מובנים. FlexLogger Lite, שהיא חינמית, מיועד עבור רישום נתונים ידני ופעולות בסיסיות של חומרת NI DAQ. מוצגת דוגמה להגדרת ערוץ עבור ה-USB-6421 (איור 4).

איור 4: מוצגת תצוגת FlexLogger Lite של הגדרת הערוץ עבור ה-USB-6421, כולל הכניסה האנלוגית, היציאה האנלוגית והגדרות ה-I/O‏ הדיגיטלי. (מקור התמונה: Art Pini)

ערוצי הכניסה האנלוגיים מוגדרים לקרוא שלושה צירים של נתוני רעידות ומדידות של לחץ, טמפרטורה ורמת קול. כל כניסה עוברת התאמה כדי לקרוא את האותות ביחידות המתאימות למדידה. היציאות האנלוגיות מייצרות רמות של 5 ו-3.3 וולט, בעוד שה-I/O‏ הדיגיטלי מוגדר לקריאת שתי כניסות דיגיטליות.

FlexLogger היא תוכנה בעלת תכונות מלאות יותר המיועדת לבדיקות אוטומטיות וניתוח נתונים מורחב. זה מאפשר התאמה-מיוחדת של כלי ההדמיה של ממשק המשתמש על ידי הוספת גרפים, מחוונים מספריים ומונים. איור 5 מציג את הנתונים מבדיקת מנוע (הצילום בתוך האיור).

איור 5: מוצגת תצוגת FlexLogger של תוצאות הבדיקה של מנוע. (מקור התמונה: NI)

צורות הגל משלושה מדי תאוצה וטכומטר מופיעות בחלק העליון. נתוני התאוצה הם רמת הרעידות בקנה-מידה של g לעומת זמן. קריאת הטכומטר, המודד מהירות סיבוב בסיבובים לדקה (RPM), מוצגת כחוגה בפינה הימנית התחתונה. הפעלת טרנספורמציית פורייה מהירה (אחד מכלי עיבוד האותות הזמינים) על נתוני הרעידות מציגה את רמת הרעידות (אמפליטודה) לעומת התדר בגרף התחתון.

סיכום

התקני mioDAQ של NI‏ משלבים טכנולוגיית מדידה מודרנית עם חווית משתמש קלה. מהנדסי בדיקות יכולים לבנות מערכות בדיקה אלקטרו-מכניות מתוחכמות באמצעות רכיבי mioDAQ המותאמים לתוכנות ללא-תכנות כמו FlexLogger של NI או תוכנת מערכות עטורת פרסים כמו LabVIEW של NI עבור דרישות בדיקה מתוחכמות יותר.