Efektywne projektowanie systemów sterowania ruchem zmniejsza koszty nabycia serwosilników

Konfigurowanie z wykorzystaniem oprogramowania do systemów automatyki zainstalowanego na komputerach typu PC, sieci EtherCAT, serwosilniki zintegrowane z napędami oraz technologia jednego kabla (OCT), mogą uprościć projektowanie nawet złożonego systemu sterowania ruchem oraz zmniejszyć koszty nabycia samych serwosilników.

Dobór i zainstalowanie optymalnego serwosilnika (silnika serwo, serwomotoru) zarówno przy modernizacji istniejącego systemu sterowania ruchem, jak i instalowaniu nowego jest zwykle dość trudnym i złożonym zadaniem. Wszelkie modernizacje często wymagają dokonania regulacji w napędzie, przekładni, enkoderze oraz każdym innym elemencie współpracującym z silnikiem serwo. Ponadto indywidualne programowanie i konfigurowanie każdego serwonapędu z osobna wydłuża czas uruchomienia systemu i niepotrzebnie zwiększa koszty.

Nowe technologie serwonapędów uprościły te procesy oraz ujawniły nowe potencjalne korzyści, które można uzyskać, korzystając z układów sterowania opartych na serwosilnikach synchronicznych. Poza możliwością konfigurowania systemu za pomocą oprogramowania dla automatyki zainstalowanego na komputerach PC, nowe serwosystemy mają takie kluczowe zalety, jak: wykorzystanie silników z bezpośrednio wbudowanymi napędami, połączenia jednym kablem oraz wbudowane technologie zabezpieczeń. Większe uproszczenie i elastyczność w projektowaniu systemów sterowania ruchem zredukowały koszty nabycia serwosilników, co czyni je konkurencyjną opcją do realizacji tego typu architektur systemowych.

Źródło: Beckhoff Automation
Zintegrowane narzędzia do doboru parametrów układów sterowania ruchem, zawarte w oprogramowaniu do systemów automatyki oferowanym przez niektórych producentów, pomaga w doborze oraz instalacji komponentów układów, przy wykorzystaniu interfejsu graficznego. Źródło: Beckhoff Automation

Zalety oprogramowania ? łatwość konfigurowania serwonapędów oraz elastyczność

Dzięki oprogramowaniu typowemu dla systemów automatyki, przeznaczonemu do komputerów PC, oraz możliwościom technologii EtherCAT w przemysłowych sieciach Ethernet, możliwe jest konfigurowanie wielu serwosilników za pomocą prostego procesu inżynierskiego. Ten rodzaj oprogramowania jest wykorzystywany do skanowania i konfigurowania napędów, co eliminuje potrzebę podłączania laptopa kablem do każdego napędu z osobna, aby go skonfigurować.

Sieci wykorzystujące technologię EtherCAT mają wysoką przepustowość oraz wydajność, które są wymagane do konfigurowania serwonapędów. W sieciach obiektowych (fieldbus) EtherCAT może być wykorzystane nawet przeznaczone do tego celu specjalistyczne oprogramowanie, które jest często specyficzne dla jego producenta. Jedyną informacją, którą inżynierowie muszą wprowadzić ręcznie, jest odległość osi obrotu od środka masy obciążenia.

Rozważmy dla przykładu pionową maszynę pakująco-zgrzewającą, pracującą w zakładzie przemysłu spożywczego. Posiada wiele osi ruchu wykorzystywanego do napełniania, formowania i zgrzewania torebek z płatkami śniadaniowymi. W przeszłości, jeśli producenci OEM maszyn podejmowali decyzję o zmianie typów silników lub jeśli użytkownicy końcowi odkrywali, że silniki w ich maszynach zbliżają się do końca eksploatacji, to w pierwszej kolejności musieli przeanalizować ograniczenia mechaniczne danego silnika oraz innych podzespołów, które musiały być wymienione.

Wybrane tradycyjne serwosilniki wymagały indywidualnego konfigurowania tak, aby maszyny bardzo szybko, precyzyjnie i powtarzalnie realizowały wymaganą czynność w procesie produkcji. Jeśli na przykład użytkownik końcowy maszyny, taki jak nasz przykładowy producent płatków śniadaniowych, musiał wyprodukować partię wyrobów zapakowanych w wyższych torebkach, to inżynier automatyk w tej fabryce musiał przeprogramować każdą oś ruchu od punktu do punktu, a następnie znowu dokonać ponownego zaprogramowania, gdy powracano do pakowania wyrobów w oryginalnych torebkach.

Ta sama konfiguracja i ponowna rekonfiguracja może być zrealizowana w czasie zaledwie rzędu pojedynczych minut, przy wykorzystaniu wspomnianej sieci EtherCAT oraz oprogramowania zainstalowanego na komputerze PC, które pozwala ustawić wymaganą zmienną prędkość oraz pozycjonowanie serwosilnika. Wykorzystując to oprogramowanie do automatyki, można tak samo łatwo konfigurować enkodery, gdy wymagany jest wtórny sygnał sprzężenia zwrotnego z serwosilnika do układu sterowania.

Technologia EtherCAT umożliwia obsługę systemów serwosilników, napędów oraz wejść/wyjść (I/O), które wysyłają informacje diagnostyczne w czasie rzeczywistym. Możliwości pomiarowe niektórych platform oprogramowania pozwalają na dostarczanie dokładnych danych na temat położenia, prędkości i momentu obrotowego danego silnika w celu monitorowania i maksymalizacji wydajności pracy maszyn.

Najlepsze opcje dla tej aplikacji zmniejszają możliwości pomyłek dzięki wykorzystaniu usprawnionego środowiska projektowania serwonapędów. Ważne jest, aby poszukać takiego oprogramowania, które może na tej samej platformie zarówno realizować konfigurowanie systemu sterowania ruchem, jak i obsługę programowalnych sterowników logicznych (PLC), interfejsów operatorskich (HMI) oraz wszystkich innych aspektów sterowania maszynami. Eliminuje to potrzebę posiadania oprogramowania wykorzystywanego tylko dla serwosystemów. Niektóre oferty producentów oprogramowania zawierają także zintegrowane narzędzia do doboru silników pod względem parametrów, co pomaga w doborze oraz instalowaniu komponentów systemu, przy wykorzystaniu interfejsu graficznego. Takie oprogramowanie przynosi korzyści w przypadku doboru serwomotorów oraz innych komponentów, które są trudne do zintegrowania, takich jak siłowniki zębatkowe, przenośniki taśmowe oraz korby.

Technologia jednego kabla (OCT) może obsługiwać serwosilniki każdej wielkości, od silników o małej mocy, połączonych z kompaktowymi napędami w szafce sterowniczej, do dużych silników z kołnierzem F7, które wymagają dużych napędów. Źródło: Beckhoff Automation

Nowe funkcje serwosilników

Zwiększona elastyczność oprogramowania umożliwia inżynierom wdrażanie serwosilników bez naruszania budżetu przeznaczonego na sprzęt. Skrócony czas programowania zmniejsza także koszty robocizny, co sprawia, że całkowite koszty wdrożenia tego typu nowych technologii są zbliżone do tych w przypadku silników krokowych. Jest to dużą zaletą, ponieważ obawy o poniesienie zbyt dużych kosztów spowodowały, że wdrażanie serwonapędów w niektórych fabrykach zostało spowolnione pomimo sporych dodatkowych możliwości oferowanych przez układy z serwosilnikami synchronicznymi oraz dokonujących się w ostatnich latach znaczących zmian i postępów w technologii serwonapędów.

Serwosilniki synchroniczne oferują większą precyzję niż serwonapędy ze sterowaniem w pętli zamkniętej. Serwosilniki te wysyłają sygnał sprzężenia zwrotnego, który umożliwia napędom śledzenie ich położenia bez konieczności posiadania osobnego enkodera w układzie. Ponadto zużywają one mniej energii niż silniki krokowe o podobnych parametrach, jednocześnie dostarczając moment obrotowy przy wyższych prędkościach. Serwosilniki mają także takie uzwojenia wewnętrzne, które wydajniej odprowadzają ciepło. Nowa funkcjonalność, taka jak silniki ze zintegrowanymi napędami, technologie zabezpieczeń oraz technologia jednego kabla (one-cable technology ? OCT), dodatkowo zwiększają potencjalne korzyści z serwonapędów.

Serwosilniki ze zintegrowanymi napędami pomagają w tworzeniu efektywnie rozproszonych systemów serwonapędów. Połączenie silnika i jego napędu w jednym urządzeniu oszczędza przestrzeń w szafie sterowniczej oraz może przynieść dodatkowe oszczędności kosztów. Zintegrowane funkcje, takie jak między innymi bezpieczne wyłączenie napędu (safe torque off ? STO) i bezpieczny stop 1 (safe stop 1 ? SS1), prowadzą do dalszych oszczędności kosztów przez ograniczenie potrzeby posiadania oddzielnych złączy We/Wy (I/O) oraz innego dodatkowego sprzętu do realizacji tych zadań.

Podczas gdy elastyczność parametrów pracy serwomotorów wzrosła, to wielkość niektórych z nich już nie. Dzięki zainstalowaniu zintegrowanego wzmacniacza z tyłu obudowy silniki mogą utrzymać tę samą wielkość kołnierza oraz jednocześnie podobne gabaryty jedynie przy małym wydłużeniu. To zmniejsza ogólne gabaryty maszyn w nowych projektach i eliminuje kosztowne zmiany mechaniczne w przypadku modernizacji. Technologia OCT łączy zasilanie i sterowanie w jednym kablu, co zmniejsza koszty okablowania oraz ilość potencjalnych punktów awarii o 50%, jednocześnie obsługując wszystkie typy serwosilników o dowolnych parametrach.

Dzięki zastosowaniu rozwiązań automatyki, wykorzystujących połączenia za pomocą jednego kabla, rozproszone serwosystemy ulepszają architektury systemów sterowania ruchem przez zastosowanie rozdzielnic o stopniu ochrony IP65. Pozwala to na obsługę aplikacji, które wymagają obsługi wielu osi ruchu w maszynach o konstrukcji modułowej. Jeden kabel łączy pozostałą szafę sterowniczą oraz rozdzielnicę, do której z kolei dochodzą kable zarówno z wielu serwosilników ze zintegrowanymi napędami, jak i z dodatkowych rozdzielnic, jeśli jest wymagane sterowanie ruchem wzdłuż dodatkowych osi. Zastosowanie złączy uniwersalnych czyni to rozwiązaniem typu ?podłącz i używaj? (plug-and-play), połączonym z intuicyjną konfiguracją za pomocą oprogramowania zainstalowanego na komputerze PC oraz wykorzystującym zalety technologii EtherCAT.

Serwosilniki ze zintegrowanymi napędami przynoszą korzyści zarówno podczas modernizacji systemów automatyki, jak i w całkiem nowych aplikacjach. W połączeniu z technologią EtherCAT i konfigurowaniem za pomocą komputerów PC, umożliwiają skrócenie czasu uruchomienia serwonapędów. Te nowe rozwiązania stają się oraz bardziej opłacalne i łatwiejsze we wdrożeniu w porównaniu do tradycyjnych systemów sterowania. Korzyści ze sterowania w pętli zamkniętej, postępy w technologii silników synchronicznych oraz ogólnie łatwiejsza konfiguracja sprawiają razem, że serwosilniki są idealne do zastosowań w sterowaniu ruchem obrotowym.

Niektóre serwosilniki ze zintegrowanymi napędami obsługują rozproszone serwosystemy oraz technologię jednego kabla (OCT), która polega na zasilaniu oraz przesyłaniu sygnałów sterujących tym samym kablem. Źródło: Beckhoff Automation

Matt Prellwitz jest specjalistą ds. aplikacji technologii napędów w firmie Beckhoff Automation.