Sieciowe sterowanie maszynami w centrum uwagi

Rozwój struktur systemów sterowania powoduje wzrost korzyści wynikających z szybkości i precyzji w rozwiązaniach sieciowych

Sieciowe rozwiązania sterowania maszynami są ostatnim krzykiem mody na rynku, ale wiele firm jest na linii autowej w kategorii wdrożeń tych rozwiązań. Aby nie znaleźć się pośród tych ostatnich, warto przyjrzeć się, w jaki sposób producenci maszyn wykorzystują ostatnie rozwiązania techniczne magistrali ruchu w działaniu, logice, HMI (Interfejs Człowiek-Maszyna) oraz komunikacji w fabryce. W jakim celu? Aby podnieść parametry nowych modeli maszyn.

NAJWYŻSZEJ jakości maszyny do oklejania taśmą krawędzi wykorzystują ruch sieciowy i wejścia/wyjścia do sterowania maszyną

Przykład 1: Oklejarki krawędzi i Ethernet

Wcześniejsze rozwiązania miejscowej magistrali nie zawsze zapewniały siłę przetwarzania, wymaganą dla skomplikowanych i precyzyjnych maszyn. Tak więc, kiedy Günter Redeker, dyrektor Projektów Elektrycznych w IMA (www.ima.de/eng) spojrzał na pilotażowy projekt polegający na przekonstruowaniu ich maszyn do oklejania krawędzi Novimat, zapragnął zrobić następny krok w kierunku wykorzystania najnowszych techniki PC.

Nowa koncepcja maszyny

Wspomniane maszyny stanowią wysoko wydajne systemy, które oklejają krawędzie materiału uformowanego w arkusze, jak płyty wiórowe lub lekkie płyty budowlane. Koncepcja Novimatu zakłada powstanie kilku modularnych i konfigurowalnych zestawów do frezowania i oklejania krawędzi taśmą, przycinania, wykańczania i wygładzania. Jednocześnie może być obrabianych kilka przedmiotów, przy zapewnieniu monitorowania i precyzyjnego sterowania położeniem każdego przedmiotu obrabianego, przy wykorzystaniu ciągłej kontroli drogi przebiegu.

Nowa platforma sterowania

Dla przeprojektowania IMA stosuje technikę EtherCAT firmy Beckhoff (www.beckhoffautomation.com). Starsze maszyny IMA do obróbki drewna używały sterownika Beckhoff PC, pracującego w systemie operacyjnym DOS, techniki automatyzacji Lightbus oraz wizualizacji i kontroli opartej na komputerach PC. Każda maszyna posiadała terminal magistrali I/O połączony poprzez Lightbusa, serwonapędy sprzężone przez PROFIBUS dla bieżącego przetwarzania i siłowniki komunikujące się poprzez CAN.

Redeker mówi, że zwrócono się w kierunku nowej platformy, ponieważ instalacje maszyn są bardzo skomplikowane – z kilkoma tysiącami wejść/wyjść i z ponad stu osiami.

– Aby sterować tymi maszynami przez systemy magistrali miejscowej, wcześniej używaliśmy do czterech wiązek Lightbus, które zbierały lub przesyłały szeroki zakres danych z szybkością próbkowania dostosowaną do możliwości maszyny. To był jedyny sposób, żeby osiągnąć żądane parametry – mówi Redeker.

Jego zdaniem, do przetwarzania wielkiej ilości danych niezbędna była wielka moc obliczeniowa komputerów. Zadaniem procesora było nie tylko kopiowanie danych z Lightbusa do pamięci i odwrotnie, ale także sortowanie danych wejściowych i wyjściowych, zgodnie z potrzebami procesu. – Przy zastosowaniu rozwiązania EtherCAT, sterownik DMA (Direct Memory Access – bezpośredni dostęp do pamięci) zajmował się ruchem danych pomiędzy interfejsem Ethernetu i pamięcią, co stanowiło dla nas istotne usprawnienie.

Rozwój maszyn

Dodatkową korzyścią, wynikającą z nowego systemu, jest jego zdolność do ciągłej kontroli drogi przebiegu. Obrabiane elementy mogą być śledzone, co umożliwia precyzyjną kontrolę podczas ich przejścia lub synchronizację części dla krótkotrwałej obróbki. Obrabiane elementy przesuwają się z szybkością do 60 metrów na minutę, odpowiadającą jednemu milimetrowi przesunięcia i związanej z tym odchyłce potencjału w ciągu milisekundy. Przy dwóch milisekundach, w warunkach ciągłej kontroli drogi przebiegu, ostateczna niedokładność dla 60 metrów długości przejścia przez maszynę jest już równa 2 mm, co zdaniem Redekera jest wielkością graniczną, szczególnie dlatego, że wymagania odnośnie do precyzji maszyn wciąż wzrastają. W pełnym wdrożeniu EtherCAT widzi wielkie możliwości, które pozwolą na wykorzystanie najnowszej i najsilniejszej przemysłowej techniki komputerowej. Największe linie produkcyjne potrzebują obecnie dwóch komputerów – jednego w charakterze interfejsu użytkownika i drugiego do kontroli w czasie rzeczywistym. – Oczekujemy, że w przyszłości dla tych systemów wystarczy jeden komputer. Projektowanie i obsługa zostaną uproszczone, jeżeli będzie się tym zajmować tylko jedna magistrala miejscowa – dodaje Redeker.

Przykład 2: Modelowanie, symulacja i sterowanie – wszystko w jednym

Automatyzacja procesu centrowania pierścienia łożyska na wirującym wale w maszynie mierzącej współrzędne cylindryczne polega na dokonaniu odczytu i wprawieniu w ruch. Zadanie jednak przestaje być banalne, kiedy jego celem staje się osiągnięcie dokładności rzędu jednego do dwóch mikronów, przy różnych rozmiarach i ciężarach łożysk i możliwej obecności oleju na częściach, wraz z uwzględnieniem tarcia w systemie.

Rozwiązanie typu „wszystko w jednym”

– W tej aplikacji, nawet w przypadku prostego systemu, istnieje wiele niewiadomych. Sterowanie z dokładnością do jednego mikrona przy pomocy sterownika PID (Proportional- Integral-Derivative controller – regulator proporcjonalno-całkująco-różniczkujący) jest trudnym zadaniem ze względu na tarcie. Obecnie można je zrealizować przy użyciu standardowej platformy sterowania ruchem – mówi dr Thomas Kurfess, dyrektor Międzynarodowego Centrum Badań Samochodowych na Uniwersytecie Clemson.

We współpracy z Timken Company (www.timken.com) i National Instruments (www.ni.com) Kurfess i jego zespół ograniczyli potrzebę ręcznej pracy i doświadczony personel pracuje w zautomatyzowanym systemie.

– Kluczowym elementem jest oprogramowanie, które pozwala nam modelować, symulować i sterować, a wszystko to mieści się w jednym pakiecie. Możemy modelować i symulować to, co według nas system powinien robić, a co następnie nie ma miejsca. Można zapytać: „dlaczego tak się dzieje?” i zaktualizować model – mówi Kurfess.

Potrzeba wydajności

Przy projektowaniu aktywnego systemu sterowania, który zautomatyzuje proces ręcznego centrowania, głównym celem jest redukcja czasu cyklu centrowania. Przy pracy manualnej 15 procent czasu potrzebnego na centrowanie części operator spędza na pomiarach.

Zautomatyzowany system składa się z prostej prowadnicy ślizgowej i precyzyjnego wrzeciona z łożyskami powietrznymi, co ma na celu zwiększenie precyzji i uspokojenie ruchu. Czujnik przemieszczeń LVDT, wykorzystywany w charakterze sondy pomiarowej, jest zamontowany na liniowej prowadnicy ślizgowej wraz z zamocowanym stykiem popychacza, używanym do wprawiania w ruch pierścienia łożyska.

Wyzwania projektowe

Projektanci używali zestawu narzędzi do sterowania i projektowania NI Labview do projektowania i analizy pętli sterowniczych wyższego poziomu w systemie i do programowania specjalnie dostosowanego Filtra Kalmana, którego zadaniem jest filtrowanie zakłóconego szumami sygnału na wyjściu z sondy.

– Labview był zawsze doskonały, jeśli chodzi o przetwarzanie sygnału i próbkowanie, ale nie w przypadku sterowania. Natomiast obecnie cyfrowy procesor sygnału firmy Labview, pracujący w czasie rzeczywistym i oparte na programowalnym układzie logicznym obiekty pozwolą na przemyślenie podejścia do sterowania. Podział czasu i możliwość nadawania priorytetów oprogramowaniu rozszerza nasze możliwości wytwórcze. Dziesięć lat temu braliśmy próbkę i przetwarzaliśmy ją, a następnie robiliśmy coś w kategoriach sterowania, wykorzystując wyjście analogowe. Szybkość pracy była uzależniona od komputera, a rezultat końcowy wcale nie gwarantował zadowalających wyników. Z nowymi obiektami w czasie rzeczywistym takie wyniki można zagwarantować i nadać programowi priorytety pracy – mówi Kurfess.

Dodaje, że użycie Soft Motion dla tej aplikacji uczyniło system całkowicie przejrzystym, spójnym i łatwym do programowania. Sterownik czasu rzeczywistego korzysta z oprogramowania i wszystko, co pozostaje do zrobienia przy zmianie celów, to przełączyć się do Soft Motion. Zamiast korzystać z programu w komputerze można zmienić i wykonywać program w cyfrowym procesorze sygnału.

Przykład 3: Elektroniczne maszyny wykańczające druki z napędem szeregowym wałków

Scentralizowane sterowanie, oprogramowanie zorientowane obiektowo, cyfrowa praca w sieci i ściśle powiązane wieloosiowe serwosterowanie jest receptą na sukces, zastosowaną przez Goss International, który używa rozwiązań następnej generacji maszyn zszywających wydruki Pacesetter® 1100.

Nowa koncepcja maszyny zastępuje tradycyjne, mechaniczne podejście szeregowo-wałkowe przemyślnym sieciowym sterowaniem maszyny, z włączeniem ścisłej synchronizacji pomiędzy serwomechanizmami i szybkim przechwytywaniem wejścia/ wyjścia w całej sieci z każdej lokalizacji.

Wyzwania konstrukcyjne

Zdaniem dr Atef T. Massouda, Głównego Inżyniera Projektu w firmie Goss, wdrożenie scentralizowanego sterowania i skoordynowanie wielkiej liczby osi w systemie z odniesieniem jednopozycyjnym jest tym, co określa on jako najważniejsze wyzwanie w projekcie.

Ponieważ Pacesetter® 1100 jest maszyną o budowie modułowej, może zostać skonfigurowana zgodnie z życzeniem, aby dostosować się do wymagań wysokiej wydajności. Może ona używać od sześciu do czterdziestu podajników z szybkością 20000 produktów na godzinę na maksimum 45 osiach. Jednakże takie samo rozwiązanie sterowania ruchem zostało sprawdzone i wybrane dla innych maszyn Gossa, wykańczających druki o liczbie osi sięgającej 94.

Dla tej aplikacji Goss wybrał sieć SynqNet i sterowniki eXMP produkcji MEI/Danaher Motion (www.motioneng.com). Goss wybrał także zaawansowane sterowniki ruchu (www.a-m-c.com) z Digiflex serii SynqNet Drives, o mocy znamionowej do 1 kW i silniki firmy Baldor (sterowane specjalnie zaprojektowanymi sterownikami ruchu (AMC) z dodatkowymi układami wejścia/wyjścia.

Scentralizowane sterowanie

Massoud mówi, że zastosowali „zorientowany obiektowo sposób myślenia”, aby wdrożyć wyrafinowaną, wielowątkową architekturę oprogramowania, jaka była wymagana dla maszyny i do opracowania dużej liczby osi serwomechanizmów. – Jednym z wyzwań było wdrożenie systemu wykorzystującego scentralizowane sterowanie. Musieliśmy stworzyć wszystkie obiekty podlegające sterowaniu i stany każdej z dwudziestu osi zarządzanej przez pojedynczy sterownik eXMP – mówi Massoud.

Cechą Interfejsu Programowania Ruchu produkcji MEI jest jego zdolność do powtórnego wykorzystania kodu programowego we wszystkich platformach. Jak mówi Massoud, zdefiniowali oni zestaw stanów maszyn i poleceń lub funkcji, które poszczególne osie systemu mają wykonać. Określona oś może pracować, wykorzystując tylko jej własne dane i predefiniowany zestaw funkcji sterujących.

– Właśnie w taki sposób osiągnęliśmy izolację niezależnych osi pracujących pod kontrolą jednej jednostki centralnej, ponieważ każda oś może wykorzystywać wyłącznie swoje dane – mówi Massoud. Jedną z korzyści wynikających z podejścia zorientowanego obiektowo jest programowanie w języku C i zapewnienie przeliczania wielu osi w systemie oraz możliwość powtórnego użycia kodów programowych i metod działania na danych obiektowych.

Massoud podaje przykład, w którym zaprogramował sekwencje naprowadzania/synchronizacji i w dalszej kolejności każda oś może używać tych funkcji. Ale jeżeli oś 10 używa funkcji naprowadzania i synchronizacji, jest to działanie wyłącznie na własnych danych. Po zaprojektowaniu funkcji jest ona dostępna dla wszystkich serwomechanizmów w systemie.

Autor: AL PRESHER