Ruch synchronizowany wymaga specjalnych układów sterowania

Synchronizowany ruch wieloosiowy w systemach robotyki, maszynach drukarskich oraz innych zastosowaniach wymaga sterowania wyższej generacji. Transfer danych i sterowanie w złożonych systemach automatyki obsługiwany jest zwykorzystaniem współczesnych, szybkich protokołów sieciowych.

Ilość osi ruchu w systemach automatyki przemysłowej rosła niezmiennie na przestrzeni lat z powodu dostępności coraz wydajniejszych sterowników oraz ze względu na rozwój procesorów. Jednakże w wielu tych systemach osie ruchu działają niezależnie od siebie. Przykładem są stacje podziałowe, które przenoszą części z jednego miejsca na drugie poprzez etapy produkcji seryjnej lub w architekturach rozproszonych z równoległymi ścieżkami ruchu.

Natomiast bardziej złożone systemy automatyki wymagają synchronizacji różnych osi ruchu. Sterowanie wyższej generacji jest potrzebne do zaspokojenia wymagań ruchu wieloosiowego w systemach robotyki, maszynach drukarskich i obrabiarkach sterowanych numerycznie (CNC). Niezbędne jest także w wysoce dynamicznych podajnikach używanych do kształtowaniu metali i systemach obcinania w locie z prędkościami linii rzędu 152 m/min i większymi. Współczesne szybkie protokoły sieciowe są w stanie sprostać ich zapotrzebowaniom w dziedzinach transferu danych i sterowania.

Dwa sterowniki plus Ethernet

Sterowanie ruchem synchronizowanym ma duże znaczenie na przykład dla Baldor Electric. Jak podkreśla Jan Mazurkiewicz, kierownik działu produktów serwo, wiele osi musi współpracować, aby wykonać pewien proces w ruchu koordynowanym.

 ? To jest typowe w dziedzinie robotyki i dla zastosowań typu xy/xyz, gdzie znajomość pozycji innych osi potrzebna jest do interpolacji lub kinematyki ? dodaje przedstawiciel Baldor Electric.

Baldor realizuje ruch synchronizowany za pomocą swoich sterowników wieloosiowych NextMove i protokołu sieciowego sterowania ruchem czasu rzeczywistego Ethernet Powerlink (EPL), opartego na standardzie Ethernet. Według Mazurkiewicza sterowniki NextMove mogą interpolować do 16 osi, obsługując jednocześnie funkcje startu / stopu. Jak mówi, liczba interpolowanych osi jest aktualnie limitowana do16 z powodu ograniczeń związanych z mocą obliczeniową. W dodatku NextMove e100 synchronizuje: serwoosie (przez +/? 10 V), osie krokowe (impuls i kierunek) oraz inne osie ruchu poprzez Powerlink.

Baldor rozróżnia pomiędzy synchronizacją, w której osie ruchu są synchronizowane na podstawie odniesienia maszynowego (zwykle główna oś z głównym enkoderem), a interpolacją, w której dwie lub więcej osi jest poruszanych jednocześnie po trajektorii, która zaczyna się i kończy w tym samym czasie. Funkcje synchronizowane zawierają regulację proporcji prędkości między osiami (elektroniczna przekładnia), przekładnię z przesunięciem pozycyjnym, elektroniczną obróbkę kształtową z wykorzystaniem krzywki i nożyce latające. Interpolacja osiowa może być liniowa, kołowa lub typu wyższego rzędu.

Mazurkiewicz wyjaśnia, że obszar zastosowań obejmuje obrabiarki sterowane numerycznie (CNC), systemy pomiaru współrzędnych i robotykę.

Światłowodowy interfejs cyfrowy

Sporo do powiedzenia na ten temat mają przedstawiciele Bosch Rexroth, który buduje systemy sterowania wieloosiowym ruchem synchronizowanym od prawie 20 lat. Używa do tego celu SERCOS-a ? interfejsu cyfrowego światłowodowego w standardzie IEC 61491 (ang. serial real-time communication system, system komunikacji szeregowej czasu rzeczywistego).

? Zdolność SERCOS-a do dokładnej synchronizacji, z rozsynchronizowaniem poniżej 1 mikrosekundy, okazała się istotna dla wielu dzisiejszych zastosowań ? podkreśla Karl Rapp, odpowiedzialny za przemysł obrabiarkowy w dziale Electric Driver and Controls.

Pomiary z wykorzystaniem chipa SERCON816 pokazują faktyczne rozsynchronizowanie na poziomie tak niskim, jak 0,035 ?s, potwierdzając przydatność SERCOS-a do synchronizacji ruchu. Najnowsza wersja SERCOS III (Ethernet 100 MHz) ma większą wydajność i dodatkowe systemowe możliwości wejścia / wyjścia.

W tym specjalnym sektorze sterowania ruchem mamy do czynienia z różnymi poziomami złożoności. Według Bosch Rexroth koordynacja jest wykorzystywana tam, gdzie trajektoria ruchu jest mniej istotna, natomiast prędkość jest ważna, jak w wolnych od szarpnięć połączonych ruchach dookoła przeszkód z najwyższą możliwą prędkością. Określenie ?szarpnięcie? odnosi się do pochodnej przyspieszenia lub trzeciej pochodnej położenia. Minimalizacja szarpnięć jest istotna dla wydajności systemu ruchu i redukcji jego zużycia. Jeśli logika programu stworzona przez użytkowników do startowania i poruszania skoordynowanych osi do zadanego położenia określiła przebieg wartości prędkości i przyspieszenia na podstawie wektora trajektorii, to ruch będzie wyglądał jak interpolacja. Jednakże Rapp wyjaśnia, że obliczenie następuje tylko raz przed każdym ruchem, w przeciwieństwie do interpolacji (patrz niżej).

W ramach synchronizacji następuje podporządkowanie jednej lub więcej osi wobec jednej osi głównej. Przy czym możemy mieć do czynienia z ?prawdziwą osią główną?, taką jak enkoder na kole zamachowym prasy tłoczącej metal lub z ?wirtualną osią główną?, taką jak znacznik rejestracyjny lub enkoder wygenerowany w sterowniku ruchu lub napędzie. Na przykład electronicline shafting (ELS) może synchronizować do 32 osi na podstawie jednego głównego enkodera i zmieniać przełożenie różnych osi elektronicznie, zauważa Rami Al-Ashqar, kierownik produktu w dziedzinie sterowania Bosch Rexroth. 

Sterowniki wieloosiowe Baldor Electric i oprogramowanie Mint obsługują zastosowania nożyc latających, w których materiał tkaniny jest obcinany na wymiar w sposób ciągły. Nożyce muszą być cyklicznie rozpędzane w celu synchronizacji z prędkością oruszającego się materiału, a potem ich prędkość musi być zmniejszona w celu wykonania kolejnego cięcia.

Skomplikowana interpolacja

Interpolacja ? używana w celu dokładnego poruszania po trajektorii ? uważana jest za najbardziej złożoną metodę do zintegrowania, w szczególności dla wielu osi. Planista trajektorii lub interpolator cyklicznie oblicza wektor trajektorii ruchu w trakcie ruchu (zwykle w odstępach milisekundowych). Jak mówi Al-Ashqar, wektory przyspieszenia / opóźnienia i prędkości są uzyskiwane dla wszystkich uczestniczących osi dla przyrostu położenia.

? Interpolator musi przewidywać, czy przekroczone mogą być limity osi i proaktywnie redukować prędkość trajektorii, aby do tego nie doszło ? mówi Al-Ashqar.

Interpolowanie osi w obrabiarkach sterowanych numerycznie (CNC) z czasami odpowiedzi rzędu 0,5 ms przy ośmiu osiach i 4 ms przy 64 osiach wyznaczyło standard w firmie Bosch Rexroth. Inteligentne napędy używające SERCOS mogą zamknąć pętle pozycjonowania w czasie 0,25 ms przy dużej dokładności i zerowym błędzie nadążania.

Bosch Rexroth wdraża zsynchronizowany oraz interpolowany ruch w szerokim obszarze zastosowań z interfejsem SERCOS i różnymi produktami z dziedziny napędów ? włączając w to jej najnowszy sterownik obrabiarek IndraMotion MTX. W prostszych zastosowaniach, do ośmiu zsynchronizowanych osi, można zastosować IndraMotion MLD-M, który oferuje oszczędności dla producentów wyrobów finalnych i końcowych użytkowników poprzez osadzenie silnika ruchu w napędzie. W przypadku większych systemów IndraMotion MLC może sterować nawet 64 osiami ruchu.

? Dokładne podążanie za trajektorią ruchu musi być zaimplementowane w konstrukcji układu sterowania i nie może być tylko funkcją zaprogramowaną ? tłumaczy Rapp. ? Domknięcie pętli napędów inteligentnych musi również być bardzo szybkie.

Sterowniki do zadań specjalnych

Z punktu widzenia Rockwell Automation ruch skoordynowany obejmuje zarówno działania tak proste, jak startowanie lub stopowanie wielu osi w jakiś zsynchronizowany sposób, jak również złożone sterowanie trajektorią ruchu, przy którym wszystkie zaangażowane osie muszą być interpolowane w trakcie ruchu. Według Boba Hirschingera, kierownika marketingu ruchu Logix do tych zadań są potrzebne wysoko wydajne sterowniki, mające jedną lub więcej z poniższych funkcjonalności:

• określenie układu współrzędnych ? w celu umożliwienia grupowania osi dla zastosowań z interpolacją wieloosiową,
• trajektoria interpolacji wieloosiowej ? liniowa, kołowa, eliptyczna lub inna specjalna interpolacja na dwóch lub więcej osiach związanych z układem współrzędnych,
• kinematyka ? w celu sterowania nieliniowymi układami mechanicznymi, jak np. roboty,
• planista trajektorii wieloosiowego position camming (PCAM) ? w celu synchronizacji położenia i/lub prędkości i/lub momentu obrotowego wielu osi poprzez profil master- slave z interpolacją sześcienną do piątego rzędu (dla płynnego ruchu przez odcinki trajektorii),
• synchronizowane domknięcie serwopętli ? przy użyciu analogowego lub cyfrowego interfejsu sieciowego napędów, takiego jak np. SERCOS.

Jak podkreśla Hirschinger, odpowiednie sterowniki ruchu obsługują: szybkie wykonanie programu, zaawansowane funkcjonalności planisty trajektorii i funkcje, takie jak: kontrola rejestracji, dynamiczne ponowne obliczanie trajektorii, przesunięcie fazowe oraz inne.

Rockwell oferuje sterowniki programowalne, które obsługują interpolację liniową / kołową, zaawansowane funkcjonalności PCAM i różne przekształcenia kinematyczne. Jeden sterownik obsługuje do 32 osi. Dodatkowe osie synchronizowane mogą być rozmieszane w wielu sterownikach. Inne istotne funkcjonalności to edytowanie profilu PCAM (obsługiwane przez edytor graficzny lub wprowadzanie danych tabelarycznych) i obsługa różnych kinematycznych przekształceń z możliwością konfiguracji w środowisku graficznym. Ponadto 40 instrukcji ruchowych jest dostępnych w językach drabinkowym, tekstu strukturalnego (ST) i sekwencyjnych schematów funkcjonalnych (SFC).

? Interfejs SERCOS łączy napędy ze sterownikiem ruchu, który odpowiada za wszystkie obliczenia trajektorii ruchu, zapewnia synchronizację osi i wysyła polecenia odnośnie położenia / prędkości do podłączonych napędów, gdzie serwopętle są zamykane ? wyjaśnia Hirschinger.

Wymiana danych w odpowiednim czasie

Beckhoff Automation również uważa ruch synchronizowany za specjalny obszar sterowania. Według Roberta Traska, starszego inżyniera trajektorie ruchu muszą być obliczone na podstawie ruchów względnych, co wymaga znacznie więcej obliczeń niż sterowanie wielu niezależnych osi.

? Mówiąc prosto, ruch synchronizowany jest często prowadzony w układach master / slave: wiele osi podrzędnych poruszających się względem jednej osi nadrzędnej ? mówi przedstawiciel Beckhoffa.

Ze względu na bezprecedensową moc obliczeniową dzisiejszych komputerów filozofia sterowania w firmie Beckhoff skupia się na możliwości zamknięcia pętli położeniowych za pomocą jednego centralnego komputera przemysłowego. Korzysta się przy tym z oprogramowania automatyzacyjnego czasu rzeczywistego i dwukierunkowej komunikacji deterministycznej z aplikacją.

? Sztuka polega na tym, aby być zdolnym do sterowania systemem operacyjnym i wprowadzać oraz wyprowadzać dane w szybki, cykliczny sposób ? mówi Robert Trask. ? Beckhoff używa różnych systemów operacyjnych Microsoftu i opracował własne jądro czasu rzeczywistego do zarządzania zadaniami specyficznymi dla sterowania. Podejście polegające na działaniu poniżej systemu operacyjnego pozwala na uniezależnienie sterowania od jego procesów.

Beckhoff polega na swoim produkcie EtherCAT, który nazywa szybko rozpowszechniającą technologią przystosowaną do szybkiego, deterministycznego Ethernetu przemysłowego dla zastosowań w dziedzinie sterowania ruchem. W przypadku cyklicznej wymiany danych dotyczących ruchu firma korzysta z interfejsu SERCOS. Systemy pozwalają na zamknięcie pętli położeniowej w centralnym komputerze przemysłowym, czyniąc synchronizowany ruch łatwiejszym w zarządzaniu.

? Wymiana danych pomiędzy osiami, absolutnie potrzebna do synchronizacji, następuje bez komplikacji związanych z przesyłaniem informacji z potwierdzeniem (ang. handshaking) spowodowanych wieloma sterownikami lub ?zabójczymi opóźnieniami?, które dawniej stanowiły plagę ruchu synchronizowanego ? tłumaczy Trask. ? EtherCAT używa ?eleganckiej? metody do transmisji danych przez standardową warstwę fizyczną Ethernetu, pozwalając na ekstremalną synchronizację danych w zakresie poniżej mikrosekund.

W jego opinii to było trudne do zrealizowania za pomocą innych protokołów przemysłowych i niemożliwe w przypadku tradycyjnego TCP/IP.

Na potrzeby ruchu skoordynowanego Beckhoff korzysta ze swojego pakietu sterowania TwinCAT i oprogramowania opartego na IEC 61131-3. TwinCAT działający na komputerze PC może według Traska sterować 40 do 50 skoordynowanymi osiami.

Strojenie, rozwiązywanie problemów

Lee Stephens, inżynier systemów w Danaher Morion, wymienia sterowanie suwnicą bramową jako kolejne zastosowanie wymagające skoordynowanego ruchu. Zwykle każda strona (oś) suwnicy bramowej musi poruszać się synchronicznie dla zachowania dokładności systemu i powtarzalności.

? Liczba błędów jest mniej ważna niż błędy będące względnie równe i o tej samej biegunowości ? twierdzi Stephens. ? W przeciwnym razie suwnica bramowa może wytwarzać niestabilne oscylacje przy próbie poruszenia się, podobnie jak osoba wchodząca po drabinie. Poza niedokładnością, wynikająca z tego wibracja może spowodować uszkodzenie łożysk oraz innych części układu.

Przedstawiciel Danaher uważa narzędzia służące do strojenia i rozwiązywania problemów za niezwykle potrzebne do analizy rezonansu, strojenia układu i badania stabilności bez potrzeby zmieniania wartości wzmocnienia pojedynczo, w celu polepszenia wydajności układu.

? Dobra funkcja oscyloskopu jest dziś koniecznością w sterownikach ruchu, w szczególności w przypadku sterowania skoordynowanego ? twierdzi Stephens.

Danaher Motion realizuje ruch synchronizowany przez swoją sieć cyfrową czasu rzeczywistego SynqNet. Osie są sterowane przez jeden Motion Supervisor, zatem polecenia wywodzą się z jednego źródła. Opatentowana technologia pętli synchronizacji fazowej SynqNet-u jest odpowiedzialna za synchronizowanie strumieni danych pomiędzy osiami, które mogą działać na różnych zegarach. Sterowniki SynqNet Danahera, takie jak: XMP, eXMP (z wbudowanym CPU) i ZMP, pozwalają na sterowanie 32 osiami i mogą być używane do złożonych zastosowań maszynowych, wymagających dużej liczby osi ruchu i punktów wejścia / wyjścia.

Zapobieganie utracie danych lub sygnałów sterowania z powodu degradacji kabli, szumów spowodowanych urządzeniami elektrycznymi lub słabego połączenia jest konieczne w celu minimalizowania błędów wśród koordynowanych osi. Stephens zaleca rejestrację błędów danych (ang. cyclic redundancy checking, cykliczna kontrola nadmiarowa) pozwalającą na analizę i znalezienie osi, która może mieć zepsuty strumień danych.

Nie tylko dokładność

Siemens Energy & Automation łączy możliwość synchronizowania wielu sterowników z pragnieniem budowniczego maszyn, aby produkować maszyny seryjnie, wciąż jednak z możliwością ich dostosowania do specyficznych potrzeb użytkownika.

? Aby to osiągnąć, budowniczy składają w całość autonomiczne moduły, które razem stanowią kompletną maszynę, a potem synchronizują system tak łatwo, jakby używali tylko jednego sterownika ? wyjaśnia Zuri Evans, kierownik produktu Simotion.

Realizację tego ułatwia Simotion Siemensa, sprzedawany jako kompletny sterownik maszyn do zastosowania w sterowaniu ruchem.

? Gdy tylko sterowniki są zsynchronizowane, Simotion pozwala budowniczym maszyn zmieniać przełożenie osi z jednego sterownika na dowolną oś w innym sterowniku przy użyciu tych samych komend (na przykład: włącz przełożenie lub włącz krzywkę) ? mówi Evans. ? Przy dobrym wykonaniu ta koncepcja modularnej maszyny może zaoszczędzić do 80% czasu obsługi technicznej.

Siemens ostatnio wdrożył maszynę drukarską wykończalniczą, gdzie 8 sterowników napędów Simotion było zsynchronizowanych dla w sumie 109 skoordynowanych osi.

? Jednakże dokładność jest równie ważna co ilość osi ? podkreśla Evans. ? Na przykład w przypadku prasy drukarskiej jakakolwiek zmiana w synchronizacji w czasie drukowania spowoduje, że obrazy będą rozmyte.

Absolutną wymaganą synchronizację Simotion osiąga podobno z mniej niż 1 mikrosekundą rozsynchronizowania.

Nadejdzie więcej osi

Według Mazurkiewicza protokoły czasu rzeczywistego oparte na Ethernecie, takie jak Ethernet Powerlink, zwiększają liczbę osi, które mogą zwykle być sterowane z jednego sterownika maszyny. Jego zdaniem Powerlink może z łatwością obsługiwać synchronizację, interpolację i koordynację. Ułatwia również monitorowanie położenia skoordynowanych osi, upraszcza ich synchronizację (ponieważ odnośnik głównego enkodera może być wysłany przez sieć zamiast być doprowadzony kablem z głównego enkodera do każdego napędu).

? Poza tym pomaga w interpolacji, ponieważ sieć ma naturę czasu rzeczywistego ? wyjaśnia Mazurkiewicz.

Bosch Rexroth ? od wielu lat propagujący interfejs SERCOS jako narzędzie wykonawcze dla skomplikowanych profili ruchu w sektorze CNC oraz innych rynkach ? uważa najnowszą wersję SERCOS III za sposób dla budowniczych maszyn na zwiększenie ilości osi bez poświęcania wydajności i kosztów systemu sterowania.

Siemens wspomina, nie podając daty, że jego system Simotion niedługo rozszerzy koncepcję synchronizowania wielu sterowników na jednej maszynie na synchronizowanie sterowników na wielu maszynach. Siemens przewiduje, że będzie można zaoszczędzić wiele czasu i pieniędzy w porównaniu z rozwiązaniami tradycyjnymi. Ma to umożliwić synchronizowanie maszyn od różnych producentów oraz sterowników innych firm, za pośrednictwem komunikacji przez Profibus lubProfinet.

Z kolei Hirschinger z Rockwell Automation prognozuje, że ciągłe udoskonalenia technologii planowania trajektorii mogą uprościć sterowanie ruchem synchronizowanym. Uważa, że procesory o większych mocach obliczeniowych przyspieszą wykonywanie złożonych algorytmów planowania trajektorii i serwopętli, podczas gdy zaawansowane oprogramowanie narzędziowe uprości tworzenie i walidację definicji profilu trajektorii. Inne funkcjonalności, które zostaną stworzone w bliskiej przyszłości, na które zdaniem Hirschingera warto zwrócić uwagę, to m.in. zaawansowane algorytmy serwopętli implementowane w napędach w celu ulepszenia sterowania wałem silnika. Uwagę warto poświęcić również na zaawansowaną technologię sterowania ruchem za pośrednictwem sieci, co zwiększa możliwość synchronizowania napędów rozproszonych ? na przykład usługi taktowania w Ethernecie oparte na standardzie IEEE 1588.

Te oraz inne ulepszenia mogą dostarczyć dodatkowych narzędzi dla inżynierów, aby mogli oni lepiej koordynować, synchronizować lub interpolować osie ruchu w swoich systemach automatyki.

Więcej informacji na stronach internetowych:

www.multiprojekt.com.pl (Baldor)

www.beckhoff.pl

www.boschrexroth.pl

www.danahermotion.com

www.ethercat.org

www.ethernet-powerlink.org

www.rockwellautomation.pl

www.sercos.org

www.siemens.pl

www.synqnet.org 

Artykuł pod redakcją
mgra inż. Krzysztofa Michalskiego,
absolwenta Politechniki Szczecińskiej

B&R Automation i Ethernet Powerlink

B&R Industrial Automation Corp. to kolejny godny uwagi ?adwokat? technologii Ethernet Powerlink (EPL). Właściwie pierwotnym twórcą Powerlinka była jej firma macierzysta ? Bernecker + Rainer Industrie-Elektronik, która wprowadziła go pod koniec roku 2001. EPL jest przemysłowym protokołem sieciowym, który ma zapewniać deterministyczną wymianę danych czasu rzeczywistego przez standard Ethernet. B&R zastosowała protokół sieciowy EPL w swoich systemach automatyki i sterowania ruchem, w celu sprostania dużym wymaganiom wieloosiowej synchronizacji oraz interpolacji. EPL przypisuje się czasy cyklu tak niskie, jak 100 mikrosekund (?s) i rozsynchronizowanie sieciowe znacznie poniżej 1 ?s. To nadaje się do sterowania ruchem i ma również zastosowania w innych obszarach automatyki, wymagających szybkiej wymiany danych. Aby lepiej wypromować zalety EPL w dziedzinie łączności sieciowej czasu rzeczywistego, firma przekazała prawa do protokołu do Ethernet Powerlink Standarization Group (EPSG), które jest niezależnym stowarzyszeniem założonym w połowie 2003 roku. Teraz EPSG przypisuje sobie poparcie około 200 budowniczych maszyn i stanowi organizację złożoną z 400 członków-użytkowników i dostawców. Aktualne starania EPSG obejmują rozszerzenie obszaru zastosowań Powerlinka poza napędy i sterowanie ruchem.

Ruch łagodnie niezsynchronizowany

Wymagania odnośnie danego zastosowania ostatecznie decydują, czy osie ruchu układu automatyki muszą być zsynchronizowane lub koordynowane względem siebie. Wciąż jednak możemy spotkać w naszym otoczeniu osobliwe przykłady ruchu niezsynchronizowanego ? ruchome schody i chodniki.

Obszerne standardy bezpieczeństwa i regulacje obejmują ten typ wyposażenia, ale nie dotyczą synchronizacji ruchomego podłoża z ruchem poręczy. Jest to kwestia nieszkodliwa i prawdopodobnie interesuje tylko tych z nas, którzy mają skłonność do technicznej drobiazgowości. Wszystkie ruchome schody i chodniki charakteryzują się tym asynchronizmem. Jest tym bardziej zauważalny, im dłuższy obiekt. Aby go doświadczyć, wykonaj następującą próbę: gdy znajdziesz ruchome schody o pewnej długości, stań po prawej stronie schodów i połóż prawą rękę na poręczy. Trzymaj rękę i stopy w tym samym miejscu. Wkrótce poczujesz, że poręcz ciągnie cię do przodu lub do tyłu.

Ruch poręczy i podłoża schodów / chodników ruchomych mógłby być zsynchronizowany, ale rachunek kosztów i zysków takiej poprawki byłby nieatrakcyjny.