Řídicí systémy pro novou generaci servopohonů

Exploze nových výrobků a vyšší očekávání zákazníků vyžadují, aby výrobci strojů zajistili lepší flexibilitu, spolehlivost, otevřenost a výkon pro svou výrobu
a výrobu svých zákazníků. Maximalizace produktivity a výkonu jsou nezbytnou podmínkou úspěchu a zároveň jsou pro výrobce strojů hnací silou k investicím do nejnovějších technologií. V čele těchto technologií stojí integrovaný řídicí systém, tzv. PAC (Programmable Automation Controller - programovatelný řídicí systém), a nejnovější generace řešení pro servopohony.

PAC umožňují snadnou integraci do víceúčelových aplikací, jako je řízení pohybu servopohony, řízení technologických procesů, logické řízení a HMI (Human Machine Interface), kde přispívají k jejich provozní dokonalosti a v konečném důsledku k vyšší produktivitě a efektivitě výroby. PAC s integrovaným řízením servopohonů lze využít zejména v aplikacích vyžadujících vysoký výkon a řízení většího počtu os.

Průmyslové trendy

Požadavky spotřebitelů po nekonečném množství druhů vyrobeného zboží, které podněcují explozi nových produktů na trhu, ovlivňují rozmanitost obalů a dalších souvisejících doplňků. Procházejíce typickým supermarketem, vidíme odraz této reality třeba jako 10 různých verzí stejné značky zubní pasty: s ochranou proti zubnímu plaku, s bělicí složkou, s vápníkem, s mentolem a tak dále. Stejně jako existuje tato rozmanitost, může balení sušenek stejné chuti být pěti různých velikostí: školní svačinové balení, balení o 100 kaloriích, 20 ks, 32 ks a rodinná velikost. Doba, po kterou je produkt vyráběn, je mnohem kratší, protože produkty vycházejí z módy a v obchodech jsou neustále doplňovány novou nabídkou, aby odpovídaly požadavkům spotřebitelů. Globální požadavky, jako jsou různé jazyky popisů a štítky různých metrik, mohou rovněž znásobit počet verzí vyráběných kusů.
Posun trhu směrem k PAC

Protože produktivita a náročnost trhu na rychlou odezvu se staly kritičtějšími faktory než kdykoliv v historii, výrobci reagovali integrací sítí různorodých výrobních zařízení do jednotně řízených provozů prostřednictvím ERP systémů ke zlepšení produktivity. To vedlo ke zvýšené poptávce po integrovaných kontrolních systémech, jako je PAC, a vysoce výkonných řízeních pohybu.

Zatímco forma PAC může být podobná jako u tradičního PLC, schopnosti PAC jsou komplexní. PAC jsou multifunkční řídicí systémy, které zahrnují různé technologie a produkty dle potřeby uživatele. To může zahrnovat řízení pohybu, ovládání procesů, logické řízení a HMI. Od svého zavedení v roce 2003 se PAC staly pro
koncové uživatele velmi atraktivní, protože mohou výrazně snížit celkové investiční náklady.

Ke klíčovým funkcím PAC patří:

• jednotné integrované víceúčelové vývojové prostředí;
• společná databáze tagů (proměnných pro komunikaci mezi jednotlivými prvky systému) sdílená v rámci celého automatizačního řešení;
• otevřená architektura pro interoperabilitu s jinými dodavateli založená na standardním rozhraní, jako jsou TCP/IP, OPC a XML, a otevřených komunikačních standardech Ethernet/IP, Profibus a CAN.

Výhody integrace nejnovějších technologií ovládání pohybu s PAC

Nejnovější generace pro řízení pohybu těsně spojená s řízením PAC, jako například RX3i a PACMotion od GE Intelligent Platforms, může překonat omezení tradiční architektury a poskytovat zákazníkům některé významné výhody, včetně

• vyšší produktivity stroje;
• vylepšení flexibility stroje.
• zvýšení efektivity projektování a programování;

Vyšší produktivita stroje

PAC integrovaný s řízením pohybu může použít vysokorychlostní sběrnici propojující moduly řízení pohybu PACMotion (PMM) a hlavního CPU PAC, instalovanou do šasi systému (backplainu). Ta spolu s technikou real-time výměny dat poskytuje přísnější synchronizace pohybů více os a synchronizace mezi řízením pohybu a logikou v hlavním CPU PAC.

PACMotion moduly (PMM) zahrnují unikátní PACSync architekturu, která obstarává výměnu požadovaných dat a paměť duálního portu sdílenou s hlavním CPU PAC, což snižuje dopad doby skenování a zajišťuje připravenost dat dostupných aplikačnímu programu. Na rozdíl od tradičního PLC s extrařízením pohybu není nutné nechat projít data o pohybu (například aktuální pozice osy) v konkrétních časech každým cyklem CPU. PACMotion nechají projít data do bloků funkcí programu řídicího pohyb asynchronně, a to jakmile jsou k dispozici. To umožňuje přístup k datům o pohybu bez čekání na další sken CPU. Zpoždění při aktualizaci totiž může způsobit chyby ve fázi, protože údaje mohou být pro následující sken CPU už staré. Tato úroveň synchronizace dat je kritická pro přesné řízení vysokorychlostních strojů.

Architektura modulu řízení pohybu

PACMotion používá jinou architekturu než v tradičním případě. V PACMotion PACSync architektuře jsou plánovač trajektorie pohybu a všechny smyčky serv zpracovány „motion" koprocesorem v každém PACMotion modulu (PMM). Každý PMM podporuje až čtyři osy pohybu a jednu virtuální hlavní osu s kompletním programováním pohybu. Tato architektura umožňuje stálou vysokou rychlost plánování cesty a frekvenci aktualizace poziční smyčky každé osy. Přidáním další osy nedochází ke snížení výkonu systému i při zvýšení frekvence aktualizací nebo přerušováním aplikačním programem při výpočtech pohybu. Plánovač trajektorie PACMotion běží s konstantní aktualizací 1 ms a všechny osy jsou současně aktualizovány každých 500 μs

Kratší doba pro uvedení produktu na trh

Doba uvedení výrobku na trh je rozhodující pro úspěch v dnešním konkurenčním světě. Začlenění řízení pohybu do jednoho společného prostředí HMI, logiky a řízení procesů výrazně zvyšuje efektivitu. Díky jednotnému otevřenému standardnímu programovacímu jazyku a společné databázi proměnných (tagů) a funkčních bloků mohou inženýři trávit méně času a úsilí učením se novému programovacímu prostředí a synchronizaci různých programů pro ovládání logiky, pohybu a zobrazení aplikace. Výsledkem je rychlejší vývoj programů, kratší doba uvedení na trh a rychlejší uvedení stroje do provozu.
Vyšší flexibilita stroje

Vzhledem k explozi nových výrobků musí výrobní linky vyrábět celou řadu různých produktů a výrobní série se běžně mění několikrát za den. V důsledku toho dnešní výrobní linky vyžadují neuvěřitelnou úroveň flexibility automatizace. Automatizace a řešení pro řízení pohybu nemusí pouze poskytovat škálovatelnost zacházení se strojem (nastavení různé úrovně výkonu a různý počet os), ale také usnadnit rychlou rekonfiguraci linky pouhým stiskem tlačítka. Jedna linka může například plnit lahve o objemu 1/2 l, 1 l a 2 l v jednom produkčním běhu. K uskutečnění takové výroby používají současné generace strojů linkové elektronické hřídele (ELS) k synchronizaci všech os pohybu na stroji nebo kompletní výrobní linky. Při realizaci této elektronické synchronizace os jediná hlavní osa ovládá všechny ostatní podřízené osy. Nadřízená osa může být reálná osa jako motor, externí enkodér či externí enkodér namontovaný na stroji, nebo časově orientovaná virtuální nadřízená osa. Každý PMM obsahuje hlavní osu, která může být konfigurována jako reálná nadřízená vázaná na enkodér nebo jako virtuální nadřízená s plnou podporou programování pohybu. Signály z hlavní osy jsou přenášeny pomocí vysokorychlostní sběrnice v backplainu na všechny podřízené osy v různých PMM modulech. Jakákoliv osa může být nadřízená nebo podřízená vůči libovolné jiné bez jakéhokoli vnějšího propojení. Navíc tyto vztahy mohou být znovu přenastaveny aplikačním programem.

Příklad řízení výrobní linky

Tato elektronická synchronizace nejen zjednodušuje zapojení a snižuje počet I/O, ale umožňuje rovněž kdykoliv výrobní linku překonfigurovat. Na obrázku je příklad výrobní linky na plnění a zavírání plastových kelímků jogurtů. Každá operace zde musí být synchronizována s hlavním dopravníkem posouvajícím kelímky linkou. Stanice na formování kelímku, jeho plnění a uzavírání používají elektronické profilové vačky, které lze za běhu změnit a přizpůsobit tak výrobu pro různé velikosti a tvary kelímků. Ke kontrole napětí v plastovém filmu na přikrytí kelímku se používá na stanicích měření točivého momentu. Tyto momenty lze rychle a snadno změnit, aby odpovídaly požadavkům různých materiálů použitých v celé řadě kelímků jogurtů.

Shrnutí

Vzhledem k tomu, že výrobci strojů (OEM) musí stále investovat do nejnovějších technologií, aby splnili požadavky svých zákazníků, je výběr integrovaného řešení řízení pohybu - s ohledem na výkon, flexibilitu a spolehlivost pro udržení kroku s neustále se zvyšujícími požadavky na produktivitu a pružnější využití majetku -kritickým faktorem úspěchu. Společnosti v náročných odvětvích, které vyžadují řízení více os pohybu pro středně až vysoce náročné aplikace, mohou získat nesmírné výhody především využitím integrovaných systémů řízení, jako je PACSystem a PACMotion od GE Intelligent Platforms, které pomáhají maximalizovat produktivitu stroje a udržitelnou konkurenční výhodu.

Mgr. Vratislav Kolínský

CMS

www.cmsys.cz

www.cmscomputers.cz

Kolinsky.Vratislav@cmsys.cz