Inteligentne maszyny: Urządzenia mechatroniczne – projektowanie pod kątem funkcjonalności

Przyglądając się projektom mechatronicznym, bardzo łatwo dostrzec ich złożoność oraz interdyscyplinarność w podejściu autorów do kwestii konstrukcyjnych. Liczą się tu przede wszystkim takie aspekty, jak praca zespołowa, efektywność i funkcjonalność.
Projektowanie maszyn uwzględniające w większym stopniu ich funkcjonalność niż analizę parametrów technicznych ma specyficzną zaletę: zapewnia lepszą efektywność konstruowanych urządzeń. Bierze się ona z nałożenia na siebie dwóch aspektów: funkcji różnych podsystemów oraz parametrów pracy całego systemu, zamiast skupiania się na cechach poszczególnych komponentów. Dzięki wzięciu pod lupę przede wszystkim pracy systemu, wiele jego trybików projektuje się jako elementy całości, przewidziane do wspólnej pracy z maksymalną wydajnością, z uprzednio zdefiniowanymi parametrami roboczymi. Nie jest już wymagane ani przewymiarowanie komponentów dla zachowania marginesu bezpieczeństwa, ani ich tylko częściowe wykorzystywanie, np. poniżej parametrów znamionowych. Gotowe (opracowane i sprzedawane) podsystemy są uproszczone w swej budowie i zaprojektowane pod kątem optymalnych parametrów aplikacyjnych, na podstawie danych wejściowych specyficznych dla aplikacji.
Przy takim podejściu okazuje się, że podsystemy projektuje się po to, by uzyskać jak największe korzyści ze współdzielenia zasobów i synergii, dzięki czemu otrzymujemy maksymalną możliwą do osiągnięcia wydajność. Redundancje i nieefektywności da się wyeliminować przez uproszczone projektowanie strukturalne. Zużycie energii zostaje zredukowane, zmniejszając tym samym koszty eksploatacji maszyny. Cena samej maszyny także ulega redukcji z powodu krótszego czasu projektowania i uproszczonego funkcjonalnego schematu sterowania. Ogólnie wzrasta więc całkowita efektywnośćurządzenia końcowego.
Praca zespołowa, zarządzanie nią, efektywność maszyny
Patrząc na projekt mechatroniczny, zwraca uwagę złożoność technologii interdyscyplinarnych, głównie takich, jak elektrotechnika, mechanika, informatyka, pneumatyka i termodynamika. Proces projektowania różni się od tradycyjnego, ponieważ rozpatruje się w nim raczej równoczesną funkcjonalność technologiczną niż sekwencyjne etapy projektowania sprzętu.
W typowym procesie projektowania maszyny najpierw inżynierowie mechanicy opracowują koncepcję układu, po czym przekazują ją inżynierom elektrykom, aby dodali komponenty elektryczne. Następnie ten wstępny projekt otrzymują inżynierowie automatycy, którzy mają połączyć wszystkie elementy w system sterowania.
Taki schemat poszczególnych działań przekłada się jednak na zbyt małą efektywność maszyny ze względu na brak synergii w wymieszanych koncepcjach elektromechanicznych. Na samym końcu procesu projektowego brakuje wówczas należytego określenia funkcjonalności, a maszyna może się stać – zupełnie bez potrzeby – zbyt złożona. Dochodzi jedynie do fragmentarycznego zintegrowania różnych technologii, co wpływa na cenę, parametry techniczne i wydajność urządzenia.
Tymczasem w projekcie mechatronicznym grupa inżynierów elektryków, mechaników i automatyków działa razem, jako zespół. Na podstawie informacji uzyskanych od menedżerów produktu lub specyfikacji klienta, wspólnie opracowują koncepcję projektu. Wielokrotne narady pozwalają na uniknięcie rozmaitych konfliktów – dzięki proaktywnemu identyfikowaniu problemów powstających w zespole specjalistów z różnych dziedzin. Koncepcje są opracowywane jako podsystemy funkcjonalne wraz z optymalnym miksem rozmaitych technologii obejmujących od początku elektrotechnikę, mechanikę i automatykę.
Gotowe podsystemy są wykorzystywane jako komponenty funkcjonalne wraz ze zdefiniowanymi danymi dla modułów wejść/wyjść (I/O) – odnoszącymi się do procesu realizowanego przez maszynę, a nie do indywidualnych charakterystyk sprzętu. Bardzo ważną rolę w organizowaniu komunikacji zespołu ma kierownik projektu, którego zadaniem jest łagodzenie konfliktów pomiędzy specjalistami z różnych dziedzin oraz zarządzanie harmonogramem realizacji przedsięwzięcia. W poszczególne czynności są też angażowani menedżerowie wyrobu, co ma zapewnić optymalną równowagę między ceną, działaniem i parametrami technicznymi przyszłej maszyny. Badana jest jej funkcjonalność, aby uzyskać rozwiązanie optymalne pod względem elektrycznym i mechanicznym, przy czym priorytet otrzymuje najbardziej wydajna integracja projektu.

Uproszczenie konstrukcji oznacza takie korzyści, jak mniejsze wymiary, waga i zużycie mechaniczne urządzenia. Wpływ tego uproszczenia na projekt jest w pełni mierzalny – poprzez takie elementy, jak wspomniane mniejsze gabaryty, niższa cena, większa funkcjonalność (funkcje mogą się zmieniać w zależności od różnych profili pracy maszyny), większa prędkość pracy maszyny, mniejsza liczba prac konserwacyjnych niezbędnych w trakcie eksploatacji oraz dłuższy średni czas pracy pomiędzy awariami (MTBF).
Urządzenia projektuje się tak, aby prezentowały wszystkie te zalety i były bardziej konkurencyjne na rynku oraz pomogły określić spodziewany sukces producenta wyposażenia oryginalnego (OEM). Wiele funkcji zostaje zebranych w zintegrowanych modułach sterujących, eliminując potrzebę dodania do maszyny urządzeń o ograniczonych możliwościach.
Ważnym elementem jest interfejs człowiek-maszyna (HMI) z wbudowanym komputerem przemysłowym PC (IPC), tworzący programowalny kontroler automatyki (PAC), potrafiący sterować ruchem maszyny, realizować sterowanie logiczne i obsługiwać kompleksowe oprogramowanie. Wybór takiego rozwiązania w projekcie eliminuje potrzebę użycia indywidualnych liczników, programowalnych sterowników logicznych (PLC) i sterowników ruchu, redukuje też oprzewodowanie. Odwzorowanie fizyczne zostaje zastąpione odwzorowaniem programowym. Sterowanie logiczne i sterowanie ruchu maszyny może być połączone w jednym programie sterującym, bez potrzeby oczekiwania na skanowanie wejść/wyjść i logiki, aby zainicjować ruch, co owocuje szybszą odpowiedzią maszyny i lepszą jej pracą. Mniej komponentów oznacza krótszy czas MTBF dla systemu.
Podzespoły funkcjonalne i mniejsze koszty ogólne
Efektywny zespół projektowy patrzy więc na projekt maszyny pod kątem funkcjonalności jej podzespołów, będących gotowymi komponentami, takimi jak kompletne siłowniki ze zintegrowanymi serwomotorami i skrzynią przekładniową. Serwosiłownik jest używany jako element elektromechaniczny, co obejmuje prawidłowe dobranie parametrów technicznych siłownika, wraz ze sprzęgłem, skrzynią przekładniową, serwomotorem i serwonapędem, wykorzystując komunikację przez szynę danych do sterowania ruchem. Parametry konfiguracyjne sterowania dla podzespołu mogą być pobrane z bazy danych w chmurze, udostępnionej przez jego producenta.

Jakie są z tego wszystkiego korzyści?
Zespół projektowy określa możliwości techniczne podsystemów, eliminując potrzebę doboru parametrów pracy i konfiguracji każdego podzespołu z osobna. Przez większość czasu dobór parametrów technicznych podsystemu następuje przy użyciu narzędzi programowych pochodzących od producenta tego podsystemu. Analizuje się dane z wejść/wyjść podsystemu, upraszczając projektowaną maszynę, zwiększając jej wydajność i przyspieszając wprowadzenie na rynek. Możliwości techniczne podzespołów można porównać na podstawie parametrów mechanicznych, elektrycznych, pneumatycznych i sterowania oraz przeanalizować pod kątem BHP, prędkości produkcji i czasu MTBF, co owocuje otrzymaniem optymalnej, funkcjonalnej mieszanki charakterystyk za uprzednio określoną cenę.
Wykorzystanie gotowych podsystemów pozwala m.in. uniknąć konfliktów sprzętowych/programowych. Wielu producentów oferuje narzędzia programowe do określania parametrów technicznych dla typowych konfiguracji systemów, takich jak np. systemy suwnic wieloosiowych, akceptujące duże zmiany danych wejściowych w celu zapewnienia optymalnego działania.
Projektowanie układów sterowania i funkcjonalność maszyny
Projekt oprogramowania sterującego niejako „egzaminuje” całą maszynę pod kątem jej funkcjonalności, integrując kompleksowe struktury w bloki funkcyjne, które mogą być użyte ponownie. Większość z najnowszych programów obsługujących sterowniki PAC pozwala na integrację logiki i sterowania ruchem w jednym pakiecie oprogramowania. Niektóre z tych programów rozszerzają możliwości na sterowanie logiczne układami pneumatyki.
Zaletą użycia bloków funkcjonalnych w oprogramowaniu jest to, że skompresowana funkcja inżynierska zostaje wstępnie zdefiniowana i ustandaryzowana. Ponowne użycie bloków skraca czas projektowania i zwiększa wydajność zaprojektowanej maszyny. Możliwość ich przenoszeniazwiększa elastyczność projektu i pozwala na dokonywanie w nim zmian wymaganych przez aplikację klienta. Bloki te są dostępne w bibliotekach bloków funkcyjnych jako gotowe narzędzia, co upraszcza proces projektowania. Typowe dla producentów OEM jest opracowywanie bloków funkcyjnych według specyfikacji klientów dla ich typowych maszyn. To pozwala im na ponowne użycie bloków (z lekkimi odstępstwami) w konstrukcji nowych maszyn, zwiększając wydajność projektowanych urządzeń.
Główni dostawcy produktów z branży automatyki zawarli już bloki funkcyjne w swoich ofertach, niejako „zachęcając” przemysł do dążenia w kierunku standaryzacji. Podłączenie maszyn do sieci wymiany danych pozwala na zdalny dostęp do nich – wraz z elastycznym reagowaniem na żądania klientów, dotyczące wprowadzania zmian w działaniu maszyn, oraz na występowanie problemów.
Współczesne zaawansowane oprogramowanie kontrolerów PAC tworzy się tak, aby obsługiwało technologie Internetu Rzeczy i Przemysłu 4.0, spełniając potrzebę połączenia maszyn w sieci i digitalizacji informacji. Protokoły ethernetowe pozwalają na szybką transmisję danych w sieci i zapewniają możliwość mieszania wielu protokołów w jedno podłączone do sieci wyjście danych, co podkreślone zostało w standardzie Zunifikowanej Architektury OPC (OPC Unified Architecture), integrującym technologię informatyczną (IT) z automatyką przemysłową. W ten sposób przyszłe integracje systemów w zarządzanie danymi i raportowanie są obsługiwane przez układy sterowania niższego poziomu, zapewniając możliwości operacyjne wymagane dla aplikacji technologii big data i chmury.
Zasady projektowania mechatronicznego, baza czołowych dostawców podzespołów funkcjonalnych oraz inteligencja wprowadzana na coraz niższy poziom komponentów oferują producentom OEM i ich klientom nadzwyczajne możliwości zwiększania konkurencyjności. Inżynierowie automatycy i projektanci żyją naprawdę w ekscytujących czasach.
Autor: Paul Plavicheanu jest menedżerem produktów elektrycznych w firmie Festo. 
Tekst pochodzi z nr 4/2017 magazynu "Control Engineering". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.