Raport Przegląd modeli serwonapędów i serwosilników

Niniejszym oddajemy na Państwa ręce trzecią ? ostatnią część raportu na temat serwonapędów na rynku polskim.
Mamy nadzieję, że opracowane przez nas materiały pokazują, jak bogata jest obecnie oferta w tej branży. Nie ma bowiem aplikacji w procesach wytwórczych, które nie wymagają sterowania ruchem.
W pierwszej części (Control Engineering, Polska, czerwiec?06) przedstawiliśmy wyniki badań wśród użytkowników serwonapędów w Polsce. Pokazaliśmy ich wymagania i oczekiwania na przyszłość.
Część druga raportu (Control Engineering, Polska, lipiec?06)przedstawiała opinię dostawców techniki napędowej o polskim rynku. Większość dostawców wypowiada się o naszym rynku życzliwie i z optymizmem na dalsze lata działalności. Podkreśla się przy tym temporozwoju gospodarczego kraju jako niebagatelny czynnik rozwoju rynku serwonapędów na równi z modernizacją istniejących maszyn.

Rys. 1. Rozwiązania kompaktowe (a, b) i modułowe (c, d, e) systemów sterowania ruchem

Zaprezentowaliśmy Państwu również współczesne możliwości konfiguracji i programowania serwonapędów. Widać wyraźnie, że wpływ rozwoju sterowników PLC (PLCopen Motion Control) na programowanie ruchu jest olbrzymi ? większość narzędzi do programowania zadań związanych z ruchem jest zgodnych z normą IEC61131-3 (języki programowania sterowników PLC).
Trzecia część raportu ma na celu przeprowadzenie syntetycznego przeglądu modeli serwonapędów i serwosilników dostępnych na polskim rynku.
Zapraszamy do jak najczęstszego zaglądania do załączonej do tego wydania tabeli ? dowiecie się tam wszystkiego, co jest potrzebne do wstępnego doboru tych urządzeń do waszych aplikacji.
Kompaktowe czy modułowe?
Obecnie technika sterowania ruchem nie ustępuje tempem rozwoju sterownikom programowalnym. Tym samym nie może dziwić nikogo fakt, że systemy napędowe stają się kolejnymi elementami złożonych systemów sterowania ? a nie jak do tej pory ? odrębnymi układami/ systemami.
O integracji systemów sterowania ruchem z innymi warstwami sterowania mogą świadczyć warianty rozwiązań konstrukcyjnych, zamieszczone schematycznie na rysunku 1.
Współcześnie bardzo trudno jest określić, które rozwiązanie zaliczyć do kompaktowych, a które do modułowych.
Konstrukcja kompaktowa oznacza, że mamy w jednym urządzeniu serwonapęd wraz z zintegrowanym sterownikiem (PLC). Niektórzy producenci poszli znacznie dalej i kompaktowość rozumieją już jako integrację sterownika, serwonapędu i serwosilnika w ramach jednego urządzenia.
Z drugiej strony modułowość serwonapędu realizowana jest w różnoraki sposób: przykładowo, jedne modele serwonapędów wymagają jednostki nadrzędnej (rys. 1 c), która wysyła instrukcje sterujące (o ruchu) do serwonapędu, zawierającego jednocześnie końcówkę mocy (wzmacniacz), podłączonego bezpośrednio do silnika. Zgoła inne podejście realizowane jest poprzez zastosowanie dedykowanych modułów osi (pozycjonowania) w sterowniku PLC, realizującego wszystkie funkcje sterownika ruchu ? wtedy wymagany jest jedynie serwowzmacniacz, sterujący pracą silnika (rys. 1 d).
Kolejnym, spotykanym rozwiązaniem (rys. 1 e) jest wykorzystanie sterowania nadrzędnego z PLC, w połączeniu z modułami: zasilania i sterowania osią ? jest to rozwiązanie bardzo podobne do tego z rysunku 1 c, jednakże inna jest koncepcja samego systemu sterowania ruchem ? zamiast jednego serwosterownika (z wbudowanym wzmacniaczem) ? kilka modułów, realizujących poszczególne funkcje.
Na rysunku 1. nie pokazano możliwości  pracy serwonapędów w sieciach przemysłowych ? a jest ona różnoraka; o tym poniżej.
Praca w sieci ? czego chcieć więcej?
Swoistym ?znakiem? czasów jest otwarcie techniki napędowej na aplikacje sieciowe ? teraz już nie wystarczy (aby być konkurencyjnym na rynku) oferować serwonapędu z jednym protokołem komunikacyjnym; dość często, poprzez wymianę odpowiedniego komponentu serwonapędu (karty, modułu) mamy dostęp nawet do sześciu różnych protokołów sieciowych ? w tym coraz częściej do szybkich protokołów deterministycznych czasu rzeczywistego, jak Ethernet Powerlink czy EtherCAT.
Algorytmy sterowania ? nauka w technice sterowania ruchem
Większość serwonapędów bazuje na kaskadowej regulacji: pozycji, prędkości i prądu (momentu). Podobnie, większość z obecnych na rynku rozwiązań pozwala wpływać na pętle regulacji jedynie w ograniczony sposób ? np. poprzez podanie wartości odpowiednich wzmocnień regulatorów składowych. Jednakże niektóre firmy dają bardziej zaawansowanym użytkownikom ograniczoną swobodę wpływu na właściwości algorytmu sterowania silnikiem ? np. poprzez możliwość dodania wartości sygnału sterującego do tej, wyliczonej przez regulatory (Bernecker&Rainer).
Inne firmy starają się wykorzystywać najnowsze zdobycze nauki, np. do implementacji w swoich urządzeniach zaawansowanych algorytmów tłumienia drgań (Mitsubishi, OMRON) czy (to z kolei ma kilka z prezentowanych w zestawieniu serwonapędów) procedury samostrojenia parametrów regulatorów na podstawie zaprojektowanego układu mechanicznego, w jakim będzie pracował serwonapęd i silnik. Spotyka się również autotuning przy zmiennym obciążeniu (zmiennym momencie bezwładności) czy nieliniowe algorytmy, wspomagające procedury pozycjonowania. 

Silniki ? oferta dla każdej aplikacji
Różnorodność silników, dostępnych na polskim rynku, ich konstrukcji i zastosowań znacznie utrudnia możliwość ich porównania. Zresztą porównanie byłoby bezcelowe. Zaprezentowana w niniejszej, trzeciej części raportu, tabela serwonapędów i silników ma pokazać, że jeżeli potrzebujemy jakiegokolwiek systemu sterowania ruchem do naszych aplikacji ? oferta polskiego rynku nie pozostawi nas w ?próżni? ? znajdziemy komponenty, potrzebne do realizacji każdego zadania.
Parametr, jakim jest np. moment bezwładności silnika, nie świadczy w prezentowanym zestawieniu o tym, czy dany silnik jest lepszy, czy gorszy ? pokazuje jedynie właściwość danego modelu: są silniki duże o niewielkiej inercji (bezwładności) ? są również małe, o bezwładności stosunkowo dużej. Inny jest również moment bezwładności z hamulcem i bez hamulca ? co jest oczywiste z uwagi na konstrukcję mechaniczną rozwiązania. Podobnie wygląda kwestia osiągów danego modelu silnika: moment i prąd nominalny zależą od zasilania uzwojeń silnika (230 V, 400 V, 480 V); moment i prąd maksymalny mogą dodatkowo zależeć od rodzaju użytego serwonapędu ? sterownika ruchu i wzmacniacza.
Współcześnie silniki z reguły pozwalają na dość dużą przeciążalność prądową; tym samym pozwalają również na chwilowe dużo większe od nominalnej wartości momentu czy prędkości obrotowej.
Większość silników wyposażonych jest opcjonalnie w hamulec, podtrzymujący pozycję przy zaniku zasilania, co może być szczególnie istotne w niektórych aplikacjach.
Dzięki olbrzymiej różnorodności rodzajów sprzężeń zwrotnych o wielu rozdzielczościach (o 13 do18 bitów na obrót) możemy dobrać silnik dokładnie do wymogów danej aplikacji ? oznacza to, że nie wydajemy niepotrzebnie pieniędzy tam, gdzie nie jest wymagana duża precyzja pozycjonowania; podczas gdy dla aplikacji bardziej wymagających również znajdzie się rozwiązanie (przykładowo enkoder absolutny wieloobrotowy 18-bitowy). 

Bezpieczeństwo pracy
Powszechnym zjawiskiem jest implementacja coraz większej liczby funkcji diagnostycznych i zabezpieczeń w wielu współczesnych urządzeniach automatyki. Wyjątku w tym względzie nie stanowią i serwonapędy.
Nasi respondenci ? pośród wielu funkcji użytkowych, jak zabezpieczenia przed przegrzaniem uzwojeń silnika ? podkreślają integrację systemów bezpieczeństwa w ramach serwonapędu. Coraz więcej producentów reklamuje swoje produkty, opatrując je etykietą właśnie takiego ?wbudowanego bezpieczeństwa? (z ang. Safety on board).
Ciekawe, że również coraz więcej użytkowników zaczyna przywiązywać do tego faktu wagę. Funkcje, takie jak np. programowe krańcówki, z pewnością bardzo wspomagają projektowanie systemów sterowania.
Nasi ankietowani wymienili wiele funkcji związanych z bezpieczeństwem ? zaimplementowanych w ich produktach, w tym:

• wejście zasilania awaryjnego dla podtrzymania pracy silnika na niskich obrotach podczas zaniku zasilania sieciowego,
• zabezpieczenia poziomów napięć,
• zabezpieczenia przeciwzwarciowe,
• pomiar temperatury w wybranych punktach układu (uzwojenia silnika, IGBT, rezystor hamujący, kondensator, ścieżki elektroniki),
• zaawansowana kontrola kluczowych błędów,
• krańcówki programowe,
• kontrola przepięcia, przetężenia czy przeciążenia,
• ochrona przed:
  ? błędem przetwornika,
  ? awarią regeneracji,
  ? zbyt niskim napięciem lub zanikiem napięcia,
  ? nadmierną prędkością,
  ? nadmiernym uchybem,
  ? uszkodzeniem enkodera,
• monitoring:
  ? szyny DC,
  ? statusu podczas ruchu,
  ? sygnałów osi,
  ? komunikacji sieciowej.

Wiele z tych opcji występuje równolegle. Podkreślić w tym miejscu należy również, że większość z wymienionych w zestawieniu modeli serwonapędów spełnia określone normy, związane z szeroko rozumianym bezpieczeństwem działania.
Jakie wnioski po 3. części raportu?
Wydaje się zatem, że zamieszczone w niniejszym artykule zestawienie wyraźnie pokazuje Państwu, że jako rynek Polska nie odstaje bogactwem oferty w dziedzinie sterowania ruchem od innych krajów na świecie.
ce

Tabela ?Zestawienie serwonapędów?
dołączona do trzeciej cześci raportu została
przygotowana na podstawie informacji
nadesłanych od poszczególnych dostawców.

 Jakie parametry i poco porównujemy?

Szyna DC

Niektóre modele serwonapędów pozwalają na wykorzystanie tejże szyny do zasilania kolejnych modułów serwowzmacniaczy; dzięki temu uzyskuje się efekt cyrkulacji energii pomiędzy serwonapędami. Nowością może być wykorzystanie szyny DC do odzyskiwania energii podczas hamowania.

Zasilanie 24 VDC

Moduły, umieszczane w większości obecnie dostępnych na rynku serwonapędów, wymagają zasilania napięciem stałym 24 V (np. szybkie wejścia/wyjścia). Dostępne są rozwiązania serwonapędów, wymagających dodatkowo (poza zasilaniem dla elementów mocy) zasilania tymże napięciem lub takie, które mają zasilacz 24 VDC jako wbudowany element wyposażenia serwonapędu.

Sposób konstrukcji

Sposób konstrukcji serwonapędu został zaprezentowany na rys. 1.

Zintegrowany rezystor hamujący

Rezystor, służący do wytracania energii podczas hamowania, może być wbudowany (zintegrowany), dołączany jako zewnętrzny bądź też w ogóle niedostępny.

Tryby pracy

Tryby pracy mówią nam, do jakich aplikacji możemy wykorzystać dany model serwonapędu: czy jedynie do prostych operacji pozycjonowania, poprzez wykonywanie instrukcji, wysyłanych do napędu ze sterownika, po interpolacje liniowe i kołowe (funkcjonalność CNC).

Obsługa elektronicznej przekładni i profili CAM

Dzięki tej funkcji możliwe jest programowe wykonywanie przez serwonapęd funkcji przekładni bądź elektronicznej krzywki. Współcześnie serwonapędy pozwalają przykładowo na zamodelowanie kształtu profilu położenia, prędkości czy przyspieszeń za pomocą nawet wielomianów piątegorzędu bądź tzw. krzywych sklejanych. Nadaje to serwonapędom olbrzymiej funkcjonalności w wielu aplikacjach.

Komunikacja ? protokoły

Obecnie serwonapędy nie są już coraz częściej samodzielnymi urządzeniami, a elementami kompleksowych systemów sterowania. Stąd coraz większy nacisk użytkowników na rozwijanie liczby protokołów komunikacji, dzięki którym można zarówno programować funkcjonalność sterownika ruchu, ale i później wymieniać z nim informacje na temat np. stanu silnika.

Wejścia enkoderowe

Enkoder jest urządzeniem, dzięki któremu układ regulacji ma informacje na temat aktualnego położenia silnika (kąta, przesunięcia). Im większa rozdzielczość enkodera, tym dokładniejsza informacja.