การลดความซับซ้อนของการทดสอบระบบไฟฟ้าเครื่องกลด้วยระบบการรวบรวมข้อมูลผ่าน USB

ระบบเครื่องกลไฟฟ้ารวมเอาส่วนประกอบไฟฟ้าและเครื่องกลสำหรับอุปกรณ์ต่างๆ เช่น มอเตอร์ คอมเพรสเซอร์ ปั๊ม เซ็นเซอร์ แอคชูเอเตอร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมในระบบการผลิต อวกาศ ยานยนต์ การแพทย์ และหุ่นยนต์ ซึ่งอุปกรณ์เหล่านี้จะต้องได้รับการทดสอบและตรวจสอบทางไฟฟ้าและกลไกเพื่อให้มั่นใจว่าทำงานได้ถูกต้อง

เพื่อให้ข้อมูลมีความแม่นยำและเชื่อถือได้ อุปกรณ์ที่จำเป็นจะต้องเข้ากันได้กับอุปกรณ์ที่กำลังทดสอบ และวิธีการหรือขั้นตอนการทดสอบ โดยอุปกรณ์ทดสอบจะต้องรองรับช่องอินพุต/เอาต์พุต (I/O) แอนะล็อกและดิจิทัลหลายช่องเพื่อวัดและควบคุมอุปกรณ์เหล่านี้ รวมถึงเครื่องมือวัดพื้นฐานเช่น ตัวนับ/ตัวจับเวลาและแหล่งจ่ายไฟ เครื่องมือทดสอบจะต้องทำงานร่วมกับซอฟต์แวร์ภายในเพื่อให้สามารถวัดผลได้ แสดงผลแบบเรียลไทม์ และรายงานโดยละเอียด

การเลือกและรวมฮาร์ดแวร์เข้ากับซอฟต์แวร์ที่จำเป็นในการดำเนินการทดสอบเหล่านี้อาจใช้เวลานานและมีค่าใช้จ่ายสูง เพื่อช่วยเหลือนักออกแบบ จึงได้มีการพัฒนาเครื่องมือรับข้อมูล USB แบบโมดูลาร์ที่ผสมผสานเทคโนโลยีล่าสุดกับเครื่องมือทดสอบซอฟต์แวร์ที่หลากหลาย เพื่อตรวจสอบระบบไฟฟ้าเครื่องกลที่ซับซ้อนที่สุด

บทความนี้บรรยายถึงความท้าทายที่นักออกแบบต้องเผชิญเมื่อทำการทดสอบอุปกรณ์เครื่องกลไฟฟ้า จากนั้นจะแนะนำเครื่องมือ mioDAQ จาก NI และแสดงให้เห็นถึงวิธีการนำไปประยุกต์ใช้เพื่อลดความซับซ้อนของการทดสอบเครื่องกลไฟฟ้ามาตรฐานเพื่อเร่งการพัฒนาและการปรับใช้

การทดสอบระบบเครื่องกลไฟฟ้า

ลองพิจารณาแท่นทดสอบมอเตอร์แบบง่าย ๆ ที่ประกอบด้วยมอเตอร์ที่ติดตั้งบนอุปกรณ์ทดสอบซึ่งเชื่อมต่อกับโหลดที่อยู่ระหว่างบล็อกแบริ่งสองบล็อก (รูปที่ 1) โดยควบคุมแท่นทดสอบผ่านตัวควบคุมมอเตอร์ซึ่งควบคุมความเร็วของมอเตอร์ตามแรงดันไฟฟ้า รูปแบบนี้ใช้เครื่องวัดรอบแบบออปติคอลเพื่อวัดความเร็วในการหมุนของมอเตอร์และเครื่องวัดความเร่งสามตัวเพื่อวัดการสั่นสะเทือนทางกลในทิศทาง X, Y และ Z บนบล็อกแบริ่งด้านใน

รูปที่ 1: แสดงให้เห็นชุดทดสอบการสั่นสะเทือนของมอเตอร์ซึ่งใช้เครื่องวัดรอบแบบออปติคัลเพื่อวัดความเร็วในการหมุนของมอเตอร์และเครื่องวัดความเร่งเพื่อวัดการสั่นสะเทือนที่เกี่ยวข้องกับมอเตอร์ตามแกนตั้งฉากสามแกนของบล็อกลูกปืนด้านใน (แหล่งที่มาภาพ: NI)

เป้าหมายของแท่นทดสอบคือการกำหนดระดับการสั่นสะเทือนสูงสุดและความเร็วในการหมุนที่เกิดขึ้น ขั้นตอนนี้เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนความเร็วของมอเตอร์แบบเป็นเส้นตรงในขณะที่ตรวจสอบระดับการสั่นสะเทือนและบันทึกทั้งสองอย่าง

เครื่องมือต่าง ๆ เป็นสิ่งจำเป็นในการทดสอบนี้ ประการแรก ต้องใช้ช่องการวัดแบบแอนะล็อกเพื่อตรวจสอบและบันทึกเอาท์พุตของเครื่องวัดความเร่งทั้งสามตัว โดยช่องแอนะล็อกอีกช่องหนึ่งจะต้องตรวจสอบมาตรวัดรอบเพื่อวัดความเร็วในการหมุนของมอเตอร์ จำเป็นต้องมีแรงดันเอาต์พุตแบบแอนะล็อกเพื่อควบคุมความเร็วของมอเตอร์ สัญญาณเอาต์พุตดิจิทัลจะแจ้งเตือนตัวควบคุมมอเตอร์เพื่อเปิดและปิดมอเตอร์ สามารถใช้สัญญาณดิจิตอลเอาต์พุตอื่นเพื่อเลือกทิศทางการหมุนของมอเตอร์ได้

ดังนั้น การทดสอบมอเตอร์ที่เรียบง่ายที่สุดนี้ต้องใช้อินพุตแอนะล็อกขั้นต่ำ 4 ตัว เอาต์พุตแอนะล็อก 1 ตัว และเอาต์พุตดิจิทัล 2 ตัว การทดสอบที่ซับซ้อนมากขึ้นอาจเพิ่มเซ็นเซอร์วัดการสั่นสะเทือน เซ็นเซอร์อุณหภูมิ เช่น เทอร์โมคัปเปิล และตัวแปลงสัญญาณความดัน เป็นต้น

ระบบการรวบรวมข้อมูล

สำหรับการทดสอบระบบไฟฟ้ากล ต้องใช้ระบบการรวบรวมข้อมูล (DAQ) ซึ่งประกอบด้วยอุปกรณ์ DAQ สำหรับการวัดและการควบคุม คอมพิวเตอร์ และซอฟต์แวร์สนับสนุน ฮาร์ดแวร์การรวบรวมข้อมูล NI mioDAQ USB ตอบสนองความต้องการนี้ด้วยซีรีส์ NI USB-6400 ซึ่งมีอุปกรณ์ USB DAQ ให้เลือกสี่แบบ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: ตารางนี้สรุปคุณลักษณะของอุปกรณ์ทั้งสี่แบบในซีรีย์ mioDAQ USB-6400 (แหล่งที่มาภาพ : NI)

ซีรีส์ mioDAQ นำเสนอทางเลือกสี่ทางเลือกแก่วิศวกรทดสอบในการกำหนดค่าอุปกรณ์ DAQ:

• ความละเอียดแอมพลิจูด 16 หรือ 20 บิต พร้อมอินพุตเต็มสเกลสูงสุด ±10 โวลต์
• อัตราการสุ่มตัวอย่างแบบมัลติเพล็กซ์ 250 พันตัวอย่างต่อวินาที (kS/s) หรือ 1 แสนตัวอย่างต่อวินาที (MS/s)
• ช่องอินพุตที่จัดเรียงเป็นช่องสัญญาณแบบ Single-ended (SE) จำนวน 16 หรือ 32 ช่อง หรือช่องสัญญาณแบบ Differential (DI) จำนวน 8 หรือ 16 ช่อง
• ช่องเอาต์พุตสองหรือสี่ช่องที่มีช่วง ±10 โวลต์สำหรับการควบคุม การจำลอง หรือการสร้างสัญญาณ

โมเดลทั้งหมดควบคุมและใช้พลังงานผ่านพอร์ต USB-C และมี I/O ดิจิทัล 16 สัญญาณและตัวนับ/ตัวจับเวลา 32 บิต 4 ตัว นอกจากนี้ ยังใช้ฐานเวลาออนบอร์ด 100 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) ที่ควบคุมวงจรดิจิทัลทั้งหมด รวมถึงนาฬิกาตัวอย่าง เส้นทริกเกอร์ และตัวนับ/ตัวจับเวลา แต่ละประเภทช่องจะมีกลไกจับเวลาแยกจากกันตามฐานเวลาแบบออนบอร์ด สามารถตั้งเวลาสำหรับช่องอินพุตและเอาต์พุตแอนะล็อกและ I/O ดิจิทัลเป็นอัตราที่แตกต่างกันได้ อุปกรณ์ USB NI mioDAQ ยังรวมถึงการสอบเทียบตัวเองผ่านซอฟต์แวร์ควบคุม ซึ่งเริ่มการสอบเทียบตัวเองและชดเชยการเปลี่ยนแปลงด้านสิ่งแวดล้อมและระบบโดยใช้สมการการสอบเทียบแบบหลายตัวแปรเพื่อการสอบเทียบอย่างรวดเร็วโดยไม่เกิดความล่าช้าในการประมวลผลที่สังเกตเห็นได้ เก็บข้อมูลผลลัพธ์ไว้ใน EEPROM บนบอร์ด

คุณลักษณะอีกประการของอุปกรณ์ mioDAQ คือ Smart ID Pin ซึ่งเพิ่มความชาญฉลาดให้กับแท่นทดสอบ พิน Smart ID จะสื่อสารกับ EEPROM 1 สายที่ผู้ใช้จัดหาให้เพื่ออ่านข้อมูลอุปกรณ์ภายใต้การทดสอบ (DUT) และตรวจสอบว่าสายเคเบิลเสียบเข้ากับพอร์ตที่ถูกต้อง พินดังกล่าวช่วยประหยัดเวลาและลดข้อผิดพลาดให้กับแท่นทดสอบ

มีอุปกรณ์รับข้อมูลเฉพาะ 4 รุ่นให้เลือก USB-6421 (789887-01) เป็นอุปกรณ์ที่ประหยัดที่สุด มีช่องสัญญาณ SE 16 ช่องหรือ DI 8 ช่องโดยใช้ตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลแบบมัลติเพล็กซ์ (ADC) ตัวเดียวที่สุ่มตัวอย่างที่ความเร็วสูงสุด 250 kS/s และมีช่องสัญญาณเอาต์พุตแอนะล็อกคู่

USB-6423 (789882-01) เพิ่มจำนวนช่องสัญญาณมัลติเพล็กซ์เป็นสองเท่าเป็น 32 SE หรือ 16 DI และเพิ่มความสามารถในการส่งสัญญาณแอนะล็อกเป็นสี่ช่องสัญญาณ

USB-6451 (789888-01) เพิ่มจำนวน ADC เป็นแปด นอกจากนี้ยังเพิ่มความละเอียด AC เป็น 20 บิต และอัตราการสุ่มตัวอย่างสูงสุดเป็น 1 MS/s มีช่องสัญญาณ 8 ช่องพร้อมการสุ่มตัวอย่างพร้อมกันและสูงสุด 16 ช่องในโหมดมัลติเพล็กซ์

USB-6453 (789884-01) มีความสามารถที่สำคัญที่สุด โดยเพิ่มจำนวน ADC ขนาด 20 บิต 1 MS/s เป็นสองเท่าเป็น 16 และเพิ่มจำนวนช่องสัญญาณสูงสุดเป็น 16 ช่องด้วยการสุ่มตัวอย่างพร้อมกัน และ 32 ช่องในโหมดการสุ่มตัวอย่างแบบมัลติเพล็กซ์

โมเดลทั้งสี่ตัวบรรจุอยู่ในกล่องที่มีความกว้าง 177 มิลลิเมตร (มม.) สูง 30.4 มิลลิเมตร และลึก 116.7 มิลลิเมตร (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: แสดงให้เห็นมุมมองเต็มของ USB-6453 (ซ้าย) ของซีรีส์ USB-6400 พร้อมด้วยแผงด้านหน้า (ขวา บน) และแผงด้านหลัง (ขวา ล่าง) (แหล่งที่มาภาพ: NI)

แผงด้านหน้าช่วยให้สามารถเข้าถึงสัญญาณแอนะล็อกและดิจิตอลทั้งหมดได้ การเชื่อมต่อจะทำโดยใช้ขั้วต่อสปริงแบบติดด้านหน้า 36 ตำแหน่งจำนวน 2 ตัว ซึ่งรองรับสายไฟ AWG #26 ถึง AWG #16 มีแผ่นด้านหลังสำหรับคอนเนคเตอร์ขั้วสปริงเพื่อลดความเครียด โดยการชดเชยรอยต่อเย็น (CJC) ถูกสร้างขึ้นสำหรับการวัดเทอร์โมคัปเปิล

แพ็คเกจอุปกรณ์ mioDAQ ประกอบไปด้วยรูยึดแบบซิปไทที่ด้านหลังและด้านข้างและสกรูล็อค USB ที่ด้านหลังเพื่อยึดสายเคเบิลและรวมเครื่องมือเข้าด้วยกันได้อย่างรวดเร็ว มีชุดติดตั้งเสริมสำหรับยึดอุปกรณ์กับชั้นวาง 19 นิ้วหรือราง DIN ที่มีแนวนอนหรือแนวตั้ง

การใช้รหัส QR ของ mioDAQ ทำให้การสูญหายของเอกสารเป็นเรื่องที่ไม่น่ากังวลอีกต่อไป ผู้ใช้สแกนรหัส QR ที่ด้านหลังของโมดูลเพื่อเข้าถึงคู่มือผู้ใช้ ข้อมูลจำเพาะ พินเอาต์ และลิงก์สำหรับดาวน์โหลดซอฟต์แวร์และไดรเวอร์การควบคุมและวิเคราะห์ได้อย่างรวดเร็ว

ข้อมูลจำเพาะของช่อง

มีช่องอินพุตแอนะล็อกสูงสุด 32 ช่อง โดยมีช่วงเต็มสเกลสูงสุดที่ -10 V ถึง +10 V ความละเอียด 16 บิตหรือ 20 บิต และอัตราการสุ่มตัวอย่างสูงสุดที่ 250 kS/s หรือ 1 MS/s (ขึ้นอยู่กับรุ่น) ช่วงที่ต่ำกว่า -0.2 V ถึง +0.2 V, -1 V ถึง +1 V และ -5 V ถึง +5 V สามารถจับคู่สัญญาณอินพุตกับช่วงอินพุตเพื่อปรับช่วงไดนามิกให้เหมาะสมที่สุด

เอาต์พุตแอนะล็อกมีช่วงแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ -10 V ถึง +10 V และมีความเร็วสัญญาณนาฬิกา 200 kS/s ต่อช่อง สามารถสร้างคลื่นแบบไม่เป็นช่วงหรือเป็นช่วงเพื่อสร้างสัญญาณควบคุมแอนะล็อกหรือจำลองเซ็นเซอร์ได้

สามารถตั้งค่าสัญญาณ I/O ดิจิทัลให้เป็นอินพุตหรือเอาต์พุตได้อย่างอิสระ สามารถตั้งโปรแกรมได้ด้วยค่าเกณฑ์แรงดันลอจิกที่ 5, 3.3 หรือ 2.5 โวลต์ และสามารถกำหนดเส้นทางนาฬิกาภายนอกหรือสัญญาณทริกเกอร์ไปยังอุปกรณ์หรือขับเคลื่อนตัวนับ/ตัวจับเวลาภายในได้

ซอฟต์แวร์ DAQ

อุปกรณ์ mioDAQ สามารถควบคุมได้ด้วยแพ็คเกจซอฟต์แวร์หลายตัว รวมถึง LabVIEW, LabVIEW+, Python ของ NI และซอฟต์แวร์บันทึกข้อมูล FlexLogger ของ NI ไดรเวอร์ NI-DAQmx ของ NI รองรับการเขียนโปรแกรมแบบกำหนดเองใน C/C++, C#, VB 6.0 และ VB.NET และรวมถึงตัวอย่างการเขียนโปรแกรมและฟังก์ชันไลบรารีสำหรับการดำเนินการ DAQ

FlexLogger คือแพ็คเกจซอฟต์แวร์แบบไม่ต้องเขียนโค้ดที่ช่วยให้วิศวกรทดสอบสามารถควบคุม ดู และบันทึกข้อมูลการทดสอบจากอุปกรณ์ DAQ ได้ ช่วยให้สามารถตั้งค่าขีดจำกัดของค่าที่วัดได้ในขณะที่สัญญาณเตือนจะเตือนเมื่ออยู่ในสภาวะนอกช่วง และอนุญาตให้วิเคราะห์ข้อมูลการทดสอบอย่างละเอียดด้วยเครื่องมือประมวลผลในตัว FlexLogger Lite เป็นโปรแกรมฟรีที่ออกแบบมาเพื่อการบันทึกข้อมูลด้วยตนเองและการใช้งานพื้นฐานของฮาร์ดแวร์ NI DAQ แสดงตัวอย่างการตั้งค่าช่องสัญญาณสำหรับ USB-6421 (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: แสดงในมุมมอง FlexLogger Lite ของการตั้งค่าช่องสัญญาณสำหรับ USB-6421 รวมถึงอินพุตแอนะล็อก เอาต์พุตแอนะล็อก และการตั้งค่า I/O ดิจิทัล (แหล่งที่มาภาพ: Art Pini)

ช่องอินพุตแอนะล็อกได้รับการกำหนดค่าให้อ่านข้อมูลการสั่นสะเทือน 3 แกน และการวัดความดัน อุณหภูมิ และระดับเสียง อินพุตแต่ละตัวได้รับการปรับขนาดเพื่ออ่านสัญญาณในหน่วยที่เหมาะสมกับการวัด เอาต์พุตแอนะล็อกสร้างพลังงาน 5 และ 3.3 โวลต์ ในขณะที่ I/O ดิจิทัลถูกตั้งค่าให้อ่านอินพุตดิจิทัลสองตัว

FlexLogger เป็นโปรแกรมที่มีคุณลักษณะครบครันยิ่งขึ้นซึ่งออกแบบมาเพื่อการทดสอบอัตโนมัติและการวิเคราะห์ข้อมูลเพิ่มเติม ช่วยให้ปรับแต่งเครื่องมือการแสดงภาพอินเทอร์เฟซผู้ใช้ได้โดยการเพิ่มกราฟ ตัวบ่งชี้ตัวเลข และมาตรวัด รูปที่ 5 แสดงข้อมูลจากการทดสอบมอเตอร์ (ภาพแทรก)

รูปที่ 5: แสดงในมุมมอง FlexLogger ของผลการทดสอบมอเตอร์ (แหล่งที่มาภาพ: NI)

รูปคลื่นจากเครื่องวัดความเร่งทั้งสามเครื่องและเครื่องวัดรอบต่อนาทีจะปรากฏในกริดด้านบน ข้อมูลความเร่งคือระดับการสั่นสะเทือนที่ปรับมาตราส่วนเป็นหน่วย g เทียบกับเวลา มาตรวัดรอบต่อนาทีซึ่งวัดความเร็วในการหมุนเป็นรอบต่อนาที (RPM) จะแสดงเป็นมาตรวัดแบบหน้าปัดที่มุมล่างขวา การใช้การแปลงฟูเรียร์แบบรวดเร็ว (หนึ่งในเครื่องมือประมวลผลสัญญาณที่มีอยู่) กับข้อมูลการสั่นสะเทือนจะแสดงระดับการสั่นสะเทือน (แอมพลิจูด) เทียบกับความถี่ในกราฟด้านล่าง

สรุป

อุปกรณ์ NI mioDAQ ผสานเทคโนโลยีการวัดอันทันสมัยเข้ากับประสบการณ์ผู้ใช้ที่ง่ายดาย วิศวกรทดสอบสามารถสร้างระบบทดสอบเครื่องกลไฟฟ้าที่ซับซ้อนโดยใช้ส่วนประกอบ mioDAQ ที่จับคู่กับซอฟต์แวร์ที่ไม่ต้องเขียนโปรแกรม เช่น FlexLogger ของ NI หรือซอฟต์แวร์ระบบที่ได้รับรางวัล เช่น LabVIEW ของ NI สำหรับความต้องการการทดสอบที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น