Konstruktorzy maszyn starają się zwiększać wydajność swoich urządzeń, przy jednoczesnym obniżeniu ich ceny oraz redukcji kosztów konserwacji. Osiągnięcie tych celów jest możliwe dzięki migracji od tradycyjnych napędów sterowanych analogowo do sterowania cyfrowego z komunikacją sieciową.

Rys. 1. Okrągłe części obrabiane z dużą prędkością na różnych maszynach, z wykorzystaniem sieci analogowej i cyfrowej. Przy większych prędkościach sieć cyfrowa gwarantuje wyższą jakość cięcia. (Źródło: Yaskawa)

Cyfrowe sieci sterowania pozwalają znacząco zwiększyć ilość danych, które mogą być przekazywane pomiędzy urządzeniami. Jednak nie dla każdego jest oczywiste, jaki ma to wpływ na wydajność sprzętu i koszty jego konserwacji. W artykule przedstawimy dwanaście korzyści, jakie można osiągnąć, gdy projektanci maszyn zdecydują się na zastosowanie sterowania cyfrowego i komunikacji danych w ramach tego typu sieci. Trzeba oczywiście pamiętać, że komunikacja M2M, czyli maszyna-maszyna na poziomie obiektowym, to bardzo ważny element filozofii Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT) i Przemysłu 4.0.

1. Zwiększenie wydajności. Wydajność to bez wątpienia najważniejszy wskaźnik, gdy mówimy o maszynach. Jednym ze sposobów jej zwiększenia jest poprawa szybkości operacyjnej. Wymaga to z kolei zdolności do utrzymania rozdzielczości pozycjonowania i odpowiedniego doboru nastaw oraz dokładnego mocowania przedmiotów.

2. Rozdzielczość pozycjonowania. Przy korzystaniu ze sterowania analogowego i ciągu impulsów do pozycjonowania, zwiększenie szybkości wiąże się zazwyczaj z koniecznością zmniejszenia rozdzielczości, co wynika z ograniczeń pulsatora. W przypadku np. serwonapędu mającego działać z pełną prędkością i maksymalną rozdzielczością, oznacza to przetwarzanie 50 mln impulsów na sekundę, podczas gdy pulsator jest w stanie wygenerować 4 mln impulsów na sekundę. Skutkuje to koniecznością zmniejszenia rozdzielczości pozycjonowania. To z kolei powoduje problemy, ponieważ wyroby produkowane przy niższej rozdzielczości mogą nie spełniać wymogów jakościowych wynikających z ich specyfikacji. Dzięki wykorzystaniu w systemie sterowania sieci cyfrowej można utrzymać wysoką rozdzielczość – sterownik wysyła informacje o docelowym położeniu z szybkością transmisji danych obowiązującą dla całej sieci.

Rys. 2. Przykład próbkowania w systemie mocowania przedmiotów na poziomie 62,5 mikrosekund, co zapewnia dokładność. Jest to możliwe dzięki wykorzystaniu sieci cyfrowej.

3. Dynamiczna zmiana nastaw. Kiedy napędy takie jak np. serwomotor pracują z większą prędkością, mogą wymagać dynamicznej regulacji, by utrzymać powtarzalność działania maszyny. W sieci analogowej regulacja jest ograniczona zazwyczaj do dwóch zestawów parametrów i kontrolowana przez wejście tych urządzeń. Ograniczeń takich nie ma jednak w przypadku sieci cyfrowej, ponieważ regulacji można dokonać w dowolnym momencie. Dodatkowo możliwe jest strojenie dynamiczne, bo sterownik przy każdym cyklu otrzymuje informacje zwrotne, takie jak pozycja, prędkość czy moment obrotowy. Sterownik może wykorzystywać te dane w algorytmach strojenia i dokonywać korekt nastaw w czasie rzeczywistym.

4. Zwiększenie szybkości mocowania. Maszyny, które wykorzystują systemy mocowania, mogą mieć ograniczenia w szybkości pracy wynikające ze sposobu, w jaki chwytany jest produkt. W przypadku sieci analogowej uchwyty kontroluje sterownik. Wzrost prędkości to zmniejszenie dokładności mocowania z powodu zwiększenia się okienka pozycjonowania, co wynika z opóźnienia reakcji sterownika liczonego w milisekundach. W rezultacie może to prowadzić do spadku jakości. Chcąc tego uniknąć, trzeba ograniczyć prędkość.

W sieci cyfrowej sterowanie chwytaniem jest realizowane po stronie napędu i to on wysyła do sterownika uchwytu informację o pozycji. Napęd przeznaczony do pracy z „szybkimi uchwytami”, dzięki wykorzystaniu specjalnych technik obliczeniowych, jest w stanie zapewnić czas reakcji na poziomie mikrosekund. To gwarantuje odpowiednio wysoką rozdzielczość pozycjonowania, nawet przy dużych prędkościach.

W dodatku, jeśli sterownik musi obliczać aktualną odległość od pozycji chwytania, przy wyższej prędkości operacyjnej może nie mieć dość czasu na dokończenie obliczeń. W sieciach cyfrowych przewidziano specjalne kombinacje komend, dzięki którym rejestracja ma miejsce niezwłocznie po komendzie chwycenia przedmiotu. Komendy te są całkowicie niezależne od obliczeń sterownika.

5. Niższy koszt maszyny. Dzięki wykorzystaniu cyfrowej sieci sterowania napędami wiele urządzeń, które dublują jej funkcje (moduły wejścia/wyjścia, przewody dla tych modułów czy krańcówki), można usunąć, co obniża koszt maszyny.

6. Usunięcie modułów wejścia/wyjścia sterowników. W tradycyjnych systemach analogowych moduły wejścia/wyjścia sterowników są połączone z czujnikami w maszynie. Ponieważ w sieci cyfrowej funkcje tych modułów przejmuje sama sieć, czujniki te mogą być podłączone bezpośrednio do sieci, zamiast do sterowników. Tym samym moduły wejść/wyjść (I/O) nie są już potrzebne.

Rys. 3. Wykorzystanie cyfrowej sieci sterowania umożliwia rezygnację z wielu urządzeń, co upraszcza infrastrukturę systemu obsługującego procesy produkcyjne i obniża koszty.

7. Przewody modułów wejścia/wyjścia.

Funkcje I/O – takie jak wejściowe „kasowanie błędu” czy wyjściowe „awaryjne wyłączenie urządzenia” – mogą być wbudowane w maszynę na takiej samej zasadzie, jak interfejs operatorski HMI.

W sieci analogowej sterownik przesyła te sygnały do urządzeń za pomocą przewodów, które przy wykorzystaniu sieci cyfrowej mogą zostać usunięte, ponieważ ich funkcje przejmuje sieć.

8. Usunięcie wyłączników krańcowych. Maszyny, które wykorzystują wyłączniki krańcowe, dzięki sieci cyfrowej są w stanie pracować bez nich, ponieważ ruch może być precyzyjnie kontrolowany i limitowany poprzez oprogramowanie i bezpośrednio przez napęd.

9. Zmniejszenie kosztów utrzymania ruchu. Dzięki uproszczeniu procedur konserwacji, zaprogramowanym procedurom działania na wypadek defektu oraz monitorowaniu czasu życia maszyny znacząco zmniejsza się czas, jaki trzeba poświęcić na serwis urządzeń.

10. Zmniejszenie czasu potrzebnego na konserwację urządzeń. Wymiana zepsutego sprzętu na nowy może wymagać jego konfiguracji przy użyciu specjalnego oprogramowania, tak by nowe urządzenie pracowało przy takich samych ustawieniach jak poprzednie. Krok ten może być jednak pominięty w przypadku wprowadzenia w systemie sterowania sieci cyfrowej, gdy sterownik urządzenia jest w stanie dokonać konfiguracji poprzez tę sieć.

Sterownik może zostać tak zaprogramowany, by sczytać parametry nowego urządzenia i w ten sposób określić, czy jest ono poprawnie skonfigurowane, czy też nie. Jeżeli nie jest – automatycznie dokonuje się korekta parametrów i ustawień. Gdy mamy tak zaprogramowane sterowniki, wtedy naprawa ogranicza się do wymiany fizycznego urządzenia i nie wymaga żadnej ingerencji z poziomu oprogramowania.

11. Zmniejszenie liczby serwisowych interwencji. Gdy pojawia się informacja o błędzie jakiegoś urządzenia, może być konieczna interwencja serwisu. W cyfrowej sieci sterowania ruchem informacja o błędzie jest również odczytywana przez sterownik, który z kolei da się zaprogramować tak, by w takim przypadku automatycznie skasować komunikat o błędzie i usunąć przyczyny jego wystąpienia. Wyręcza on tym samym personel techniczny.

W przypadku np. zgłoszenia komunikatu o przekroczeniu dopuszczalnej prędkości przez serwonapęd, w sterowniku mogą być zrealizowane odpowiednie algorytmy działania, które wyczyszczą komunikaty o błędach i wymuszą pracę z mniejszą prędkością. Dodatkowo, ponieważ informacja o błędzie jest dostępna z poziomu sieci, będzie również wyświetlana w interfejsie HMI. Zmniejsza to liczbę koniecznych czynności obsługowych, a także pozwala zaoszczędzić na specjalistycznym sprzęcie ochronnym i serwisowym – gdyż pracownicy serwisu nie muszą już sprawdzać błędów bezpośrednio przy maszynie, na panelu sterowania urządzenia.

12. Zmniejszenie liczby planowych czynności serwisowych. Harmonogram czynności serwisowych jest determinowany przez całkowity czas pracy maszyny. Jeżeli sterownik nie dysponuje informacją o całkowitym przebiegu urządzenia, może się okazać, że przegląd generalny będzie konieczny wcześniej, niż wskazywałby na to czas życia urządzenia. Dzięki wykorzystaniu sieci cyfrowej sterownik ma dostęp do tego rodzaju danych. Monitorowanie czasu życia maszyny jest szczególnie istotne w przypadku takich urządzeń, jak wentylatory, kondensatory, instalacje przeciwprzepięciowe czy hamulce elektrodynamiczne. Jeżeli parametry pochodzące z nich są kontrolowane, sterownik może wysłać powiadomienie, gdy któreś z urządzeń powinno być wyłączone z eksploatacji. To wpływa w efekcie na wydłużenie czasu pracy poszczególnych elementów oraz zmniejszenie liczby planowych czynności obsługowych.

Autor: Derek Lee jest inżynierem produktu w firmie Yaskawa America Inc.

Tekst pochodzi z nr 4/2016 magazynu „Control Engineering”.