Uproszczenie układów automatyki bazujących na napędach oraz na sterowniku głównym

Rys. 1. Pozioma maszyna pakująca typu Flow Pack, działająca w systemie opartym na sterowniku centralnym. Robot typu Delta pobiera wyroby z przenośnika podającego i układa je na przenośniku odbiorczym. (Źródło: Lenze Americas)

Innowacje w obszarze monitoringu i kontroli układów kinematyki bazujących na napędach oraz na sterowniku głównym rozszerzają możliwości integracji oraz zwiększają liczbę dostępnych funkcji sterowania.

Epoka cyfrowa w branży przemysłowej czasem nazywana jest rewolucją. Jednakże długa historia rozwoju i zmian w automatyzacji procesów produkcyjnych wskazuje raczej na ewolucję w zakresie wykorzystywanych w niej technologii. Przy stale zmieniającym się otoczeniu przemysłowym wymagania dotyczące monitorowania prędkości napędów elektrycznych, precyzji, bezpieczeństwa, skalowalności i wydajności pozostają niezmienne. Są to istotne cechy nowoczesnych maszyn i robotyki przemysłowej.

Tempo wdrażania przemysłowych systemów sterowania i automatyzacji procesów jest nadzwyczajne. Obecnie prawie każdy zakład produkcyjny wykorzystuje robotykę i maszyny z funkcjami sterowania ich ruchem, aby zwiększyć wydajność procesów. Przewiduje się, że w 2020 r. wartość globalnego przemysłu robotycznego wyniesie 200 mld dol. (źródło: MarketsandMarkets, 2016). Dynamiczne rynki globalne i modele łańcucha dostaw, gdzie cykle produkcyjne są krótsze, wymagają dostatecznej elastyczności, aby skrócić czas rozwoju maszyny i integracji systemu u klienta.

Maszyny programowane parametryczne, zdolne do samooptymalizacji i korzystające z zaawansowanych systemów sterowania ruchem, które bazują na wbudowanych układach inteligentnych, a także oprogramowaniu modułowym, sprawiają, że automatyzacja staje się bardziej elastyczna i wydajna. Raporty opracowane niedawno przez Quest Technomarketing z Niemiec pokazują, że obecnie połowa wszystkich mechatroników pracuje z inteligentnymi maszynami o budowie modułowej.

Najlepsze innowacyjne rozwiązania ułatwiają pracę. Zarządzanie złożonym systemem jest priorytetem dla konstruktorów maszyn, integratorów i operatorów. Aby rozwiązać złożone zadania, opracowane zostały kompleksowe narzędzia pozwalające na sterowanie automatyką i ruchem. Elastyczne i skalowalne napędy oraz sterowanie ruchem maszyn z priorytetem energooszczędności zapewniają precyzyjną regulację prędkości, bezpieczeństwo, diagnostykę i ułatwiają obsługę techniczną. Systemy operatorskie paneli HMI, łączność sieciowa i inne zaawansowane cechy urządzeń oraz systemów umożliwiają konstruktorom maszyn szybsze projektowanie, przekazywanie do użytku, programowanie i integrację maszyn.

Sposób, w jaki silnik lub silniki wykonują ruchy w jednej lub kilku osiach, jest podyktowany topografią układów sterujących ruchem maszyn. W każdej aplikacji występują różnice w wymaganiach dotyczących kontroli i sterowania ruchem. Kluczową decyzją podejmowaną na etapie projektowania jest wybór pomiędzy sterowaniem maszyny za pomocą sterownika centralnego, głównego a sterowaniem opartym na wykorzystaniu lokalnych sterowników napędów. Zasadniczo chodzi o to, czy regulacja prędkości i pozycjonowanie dla każdej z osi odbywają się w sterowniku napędu, czy też decyzje podejmowane są w centralnym sterowniku maszyny. Mimo że wybór w odniesieniu do niektórych aplikacji wydaje się oczywisty, może istnieć kilka rozwiązań. Uniwersalnego sposobu nie ma. Dlatego ważne jest, aby gruntownie przeanalizować mocne i słabe strony zarówno sterowania scentralizowanego, jak i rozproszonego.

Automatyka oparta na sterowniku głównym

Typowy system automatyki opartej na sterowniku zawiera sterownik główny i komponenty napędu, które są ze sobą skomunikowane poprzez sieć obiektową w jednym z popularnych protokołów komunikacji czasu rzeczywistego. W takiej konfiguracji wszystkie inteligentne funkcje automatyki są zlokalizowane w sterowniku głównym, który stale przekazuje do modułów obsługi napędów dokładne instrukcje o położeniu i prędkości w danym momencie.

W typowym zastosowaniu główny sterownik ruchu steruje pracą wielu napędów – aktualizuje dane w odstępie 1 milisekundy, podczas gdy w przypadku konfiguracji systemu automatyki opartego na danych pochodzących z lokalnych sterowników napędów instrukcje głównego sterownika PLC są dostarczane znacznie wolniej. Małe maszyny pakujące lub maszyny wykorzystywane w branży spożywczej są zwykle sterowane w konfiguracji opartej na sterowniku głównym, ponieważ napędy pracują przy względnie niskiej mocy i dynamicznych ruchach osiowych. Gdy w maszynie występują więcej niż cztery osie zarządzane przez sterownik, koszt obsługi każdej osi jest niższy. Dlatego też systemy sterujące maszyn bazujące na sterowniku głównym mogą się charakteryzować przewagą kosztową, gdy mają do obsłużenia wiele osi ruchu.

Schemat pracy systemu automatyki oparty na wydajnym sterowniku zapewnia
także większą elastyczność przy aplikacjach wieloosiowych – od czterech osi aż po cały zakład, gdzie występuje sto osi lub więcej, również obsługiwanych przez dodatkowe sterowniki. W większości wypadków aplikacje oparte na sterowniku centralnym obsługują od czterech do dwudziestu osi z użyciem jednego sterownika. Aplikacje robotyczne i maszynowe z trzema osiami lub więcej mogą być zarządzane sterownikiem głównym, aby zapewnić koordynację ruchu. Koordynacja ruchów robota wykorzystującego więcej niż dwie osie może się odbywać za pomocą sterownika głównego w celu za
pewnienia precyzji np. procesu pakowania.

Przykładowo robot typu Delta może mieć trzy osie zewnętrzne i czwartą oś do podnoszenia wyrobów z przenośnika podającego i układania ich w pewien ustalony sposób na przenośniku odbiorczym. Sterownik główny może działać jednocześnie w sześciu osiach w celu zapewnienia ciągłości transportu wyrobów (rys. 1). W innym scenariuszu sterownik główny obsługuje cztery osie zwijarki produkującej blaszane rury spustowe. Jedna maszyna jest w stanie wykonać wszystkie zadania konieczne do zwinięcia i uformowania blachy, zanim rura spustowa rynny zostanie obrócona kilka razy i ustawiona tak, aby wykonać połączenie na rąbek S na górze i rąbek C na dole.

W innym przykładzie maszyna z dziesięcioma osiami kontrolowanymi przez sterownik centralny może wykonywać plastikową rurę odwadniającą. Rura podawana jest cyklicznie i ustawiana tak, aby noże po jej obydwu stronach mogły wyciąć otwory odwadniające w określonych odstępach.

Rys. 2. Modułowe systemy sterowania bazującego na urządzeniach integrują sprzęt i oprogramowanie za pomocą systemu operacyjnego wysokiej rozdzielczości, który upraszcza integrację maszyny i automatyki. Czas konfiguracji jest krótki, a maszyna pracuje bezproblemowo. (Źródło: Lenze Americas)

Automatyka scentralizowana a sterowanie rozproszone bazujące na lokalnych sterownikach napędów

W odróżnieniu od napędów kontrolowanych przez sterownik centralny, które nie mogą pracować bez jego poleceń, system bazujący na samych napędach wykorzystuje algorytmy zlokalizowane właśnie w nich – w sterownikach lokalnych. Zarówno układy scentralizowane, jak i rozproszone z wbudowaną inteligencją mogą pracować niezależnie na podstawie wewnętrznych danych kontrolnych, danych cyfrowych lub innych sygnałów wejściowych.

Scentralizowany system bazujący na napędach lokalnych jest chętnie stosowany w aplikacjach synchronicznych, takich jak nawijanie, kinematyka wykorzystująca ruch krzywek, pozycjonowanie/indeksacja i przekładnie elektroniczne. Napędy z rozbudowaną inteligencją są w stanie wykonywać złożone obliczenia i podejmować decyzje na podstawie algorytmów, a także komunikować się z innymi napędami, aby wykonywać zadania synchronicznie. W takich sytuacjach fizyczna bliskość silników i szafy sterowniczej jest korzystna, ponieważ wszystkie elementy sterownicze i dystrybucja zasilania znajdują się w jednej lokalizacji, co ułatwia nadzór i obsługę techniczną.

Sterowanie oparte na danych przekazywanych przez napędy jest z kolei często preferowane w dużych urządzeniach, które obsługują napędy o dużej mocy, takich jak maszyny drukarskie, albo w innych aplikacjach konwersji wymagających wykonania wielu kroków. Pomiędzy maszynami drukarskimi muszą się znajdować przekładnie elektroniczne, więc napędy powinny pracować z odpowiednią prędkością względem siebie.

Synchronizacja pracy urządzeń to częste rozwiązanie stosowane w produkcji ciągłej, np. papieru, folii lub tkanin. W takich zastosowaniach można również znaleźć sterownik PLC sterujący załączeniem, wyłączeniem i regulacją prędkości. Algorytmy sterujące zawarte w sterowniku napędu mogą być nawet przekazywane pomiędzy napędem a sterownikiem PLC. Jednak aby napędy pracowały w sposób synchroniczny, muszą mieć wbudowaną logikę i komunikować się ze sobą. W przypadku przekładni elektronicznej napęd nadrzędny przekazuje swoją pozycję innym napędom, a te odpowiednio podporządkowują swoją pozycję.

Inne aplikacje również mogą wykorzystywać wbudowaną logikę napędów. Nawijanie lub odwijanie wykonywane przez maszyny kalandrujące (wygładzające) lub produkujące tekturę falistą wymaga stałej kontroli naprężenia i prędkości liniowej.

Nadmierny lub niedostateczny naciąg może powodować wady wyrobu lub nawet jego deformację. Kontrola naciągu wymaga nieznacznych zmian prędkości nawijania lub odwijania materiału w sposób ciągły, gdyż zmienia się średnica nawiniętego materiału po obydwu stronach linii. Napęd z wbudowanymi algorytmami stale śledzi prędkość i średnicę, a za pomocą wewnętrznego kalkulatora odpowiednio reguluje prędkość nawijania i odwijania.

Praca mechanizmów bazujących na ruchu krzywkowym to kolejne zastosowanie wymagające precyzyjnej koordynacji między osiami. Aby urządzenie wykonywało dokładne cięcia, materiał i narzędzie tnące muszą się przemieszczać z identyczną prędkością w momencie zetknięcia. W przeciwnym razie materiał będzie się marszczył lub rwał. Uzyskanie precyzyjnej koordynacji pomiędzy wirującym nożem krążkowym a materiałem, obracającymi się z różną prędkością, może być kłopotliwe. Przykładowo, gdy obwód ostrza noża jest dłuższy niż odcinany fragment, w trakcie cięcia nóż będzie musiał wykonać szybszy albo wolniejszy obrót w strefie cięcia, aby dopasować jego prędkość do posuwu materiału. W architekturze bazującej na danych pochodzących z lokalnych sterowników napędów lub opartej na sterowniku centralnym pomiędzy napędami musi zachodzić ciągła koordynacja.

W niektórych przypadkach wymiary maszyny mogą wymagać zastosowania sterowania rozproszonego, bazującego na danych pozyskiwanych z napędów. Długie kable silnikowe biegnące z głównej szafy sterowniczej można wyeliminować, doprowadzając zasilanie do rozproszonych napędów w układzie łańcuchowym, od napędu do napędu, albo ze źródła innego niż główna szafa sterownicza. Rozproszone napędy falownikowe umożliwiają ich instalację w pobliżu danego silnika. Pozwalają również projektować duże i złożone maszyny o bardziej przejrzystej strukturze, co ma duże znaczenie w przemyśle motoryzacyjnym, wewnętrznej logistyce lub innych gałęziach przemysłu.

Narzędzia do zintegrowanego sterowania

Na rynku dostępne jest oprogramowanie oferujące modułowe, gotowe funkcje sterowania ruchem, obsługiwane za pomocą standardowych interfejsów, które można personalizować. Dzięki temu możliwe jest zarządzanie typowymi procesami, takimi jak cięcie poprzeczne i nawijanie oraz praca robotów. Aplikacje zrobotyzowane, takie jak manipulacje typu pick and place, są łatwo programowane za pomocą ustawień parametrycznych i nie wymagają znajomości robotyki, co w sposób oczywisty zmniejsza zapotrzebowanie na pracę inżynierów i konstruktorów.

Rozwiązania bazujące na technologii programowania parametrycznego znacząco upraszczają kontrolę ruchu i sposób konstruowania maszyn, począwszy od opracowania koncepcji maszyny, a skończywszy na jej uruchomieniu. Programowanie parametryczne ułatwia przekazanie do eksploatacji w stosunku do tego, co oferuje programowanie tradycyjne. Zastąpienie skomplikowanego oprogramowania zunifikowanymi narzędziami programistycznymi służącymi do konfiguracji maszyny znacząco skraca czas pracy programistów i obniża wymagania techniczne, a także eliminuje redundancję, co obniża koszty rozwoju. Włączenie inteligentnego napędu do sieci nie wymaga specjalistycznej wiedzy dzięki modułowym komponentom i dostępnym narzędziom inżynierskim.

Takie możliwości i podejście pozwalają konstruktorom maszyn skupić się na elementach, które są unikatowe dla danego projektu i sprawiają, że staje się on bardziej konkurencyjny.

Systemy automatyki modułowej przeznaczonej do sterowania na podstawie danych uzyskiwanych z napędu mogą znacząco uprościć integrację maszyny i automatyzację jej działania.

Rosnąca indywidualizacja sposobów organizacji topologii i funkcji systemów sterowania maszyn stanowi wyzwanie, gdyż wymaga pogodzenia czasu realizacji maszyny z założoną produktywnością. Krótki czas potrzebny na konfigurację maszyny można uzyskać, gdy jej działanie jest maksymalnie uproszczone, do czego niezbędne jest zastosowanie prostych założeń eksploatacyjnych, ważnych również z punktu widzenia operatora maszyny (rys. 2).

Nie ma uniwersalnych rozwiązań

Przemysł wytwórczy odnosi ogromne korzyści wynikające z postępów w dziedzinie automatyzacji. Opracowanie całego systemu automatyki wymaga kompleksowego podejścia, skupiającego się na analizie ruchu. Ostatecznie to rodzaj zadań wykonywanych przez maszyny determinuje architekturę napędu i sterowania. Jeżeli chodzi o złożoność sterowania napędem, należy zastosować podejście „tyle, ile potrzeba”, które da się stosować tylko wtedy, gdy znane są główne założenia.

Wybory dokonywane na etapie planowania wpływają na parametry pracy maszyny w ciągu jej całego okresu eksploatacji. Proces projektowania musi się rozpoczynać od analizy planowanych zadań związanych ze sterowaniem ruchem, przedstawienia głównych założeń i podjęcia kroków służących doborowi właściwych narzędzi, aby stworzyć inteligentną i niezawodną koncepcję, dopasowaną do konkretnej aplikacji. W przypadku systemów kontroli napędu nie ma uniwersalnego schematu, który pasowałby do każdej maszyny. Jednak postęp technologiczny przynosi coraz bardziej inteligentne i wszechstronne rozwiązania, które umożliwiają dokonywanie lepszych wyborów.

Craig Dahlquist pracuje jako inżynier ds. aplikacji w firmie Lenze Americas.