Wybór struktury układu sterowania napędami

Nigdy dotychczas budowa systemu sterowania napędami nie była prostsza lub… bardziej kłopotliwa. Ten przewodnik pomoże określić, jak właściwie dobrać odpowiednią strukturę sterownika napędu.
Podczas procesu projektowania sterownika maszyny będziemy musieli odpowiedzieć sobie na wiele ważnych pytań odnośnie jego architektury. Aby zbudować sterownik, który zapewni odpowiednią precyzję sterowania napędu, po pierwsze należy określić miejsce wzmacniaczy (napędów). Następnie trzeba zastanowić się, czy wykorzystać sieć, czy jeśli jest to możliwe – zbudować cały sterownik na jednej karcie. Rozważmy pięć czynników, które decydują o właściwej architekturze: Jak wiele maszyn zostanie wyprodukowanych w całym okresie produkcji? Czy istnieją specyficzne wymagania odnośnie kształtu, wielkości i sposobu łączenia kontrolera? Jaka jest moc stosowanych silników? Jaki będzie sposób zadawania trajektorii ruchu dla poszczególnych napędów i czy wymagana będzie synchronizacja poszczególnych napędów? Jak ważna jest minimalizacja czasu produkcji?
Architektura 1. Karty napędowe
Sterowniki maszyn mogą korzystać z gotowych, dostępnych na rynku kart sterowania napędem. Są one łączone ze wzmacniaczami posiadającymi analogowe sygnały wejściowe z zakresu +/- 10 V. Wartość tych sygnałów determinuje moment napędowy, a czasami również prędkość silnika (rysunek 1 – standardowa wieloosiowa karta napędowa). W tej konfiguracji sterownik maszyny składa się z jednej bądź wielu dedykowanych kart napędowych podłączonych do wzmacniaczy napędów oraz komputera (najczęściej typu PC), który przechowuje i kontroluje uruchomienie algorytmu sterowania oraz interfejsu użytkownika.
Dwa podstawowe czynniki, które w tym rozwiązaniu należy brać pod uwagę, to rodzaj łącza komunikacyjnego z komputerem oraz standard rozmiaru karty. Popularne standardy łączy to między innymi PCI, PC/104, CANBus i Ethernet. Część z nich, takie jak magistrala PC/104, w mniejszym lub większym stopniu narzucają formę mechanicznego umieszczenia karty w komputerze sterującym. Karty wykorzystujące magistrale szeregowe, takie jak CANBus czy Ethernet, są czasami nazywane niezależnymi i produkowane są w wielu różnych kształtach i rozmiarach.
Zaletą tego rozwiązania jest elastyczność. Sterownik napędu jest niezależny od końcówki mocy, a czasem i od typu silnika. Dla przykładu, jeśli kontroler ma wyjście +/- 10 V, to może sterować pracą serwonapędu DC lub wzmacniaczem bezszczotkowego silnika prądu stałego (jeśli tylko wzmacniacz zapewnia komutację). Jeśli użytkownik zechce zwiększyć moc silnika bądź zmienić jego typ, to nie będzie musiał zmieniać karty napędowej, a jedynie wzmacniacz.
Podstawowym mankamentem tego rozwiązania jest komplikacja okablowania i koszty. Dla typowej osi serwonapędu potrzeba 15 do 25 przewodów przesyłających sygnały do i od każdej osi. Liczba ta zależy od tego, czy sygnały przesyłane są w sposób różnicowy (zalecany) oraz od tego, czy kontroler lub wzmacniacz zapewnia komutację. Tworzenie systemu do sterowania 10 osiami wymaga więc prowadzenia wzdłuż maszyny wiązek zawierających setki przewodów. Jest to rozwiązanie skomplikowane, kosztowne, przy którym bardzo łatwo popełnić pomyłkę.
Problem w serwisowaniu gotowych, oferowanych na rynku kart stanowi również konieczny do przyjęcia standard ich rozmiaru. Czy problem leży po stronie karty? Czy może wzmacniacza? Czy jest to kłopot z okablowaniem? Im więcej części składowych systemu, tym więcej elementów do kontroli w razie problemów.
Wraz z szybkim wzrostem mocy możliwych do podłączenia wzmacniaczy liczba dostępnych kart rośnie. Wiele takich kontrolerów dostępnych jest w opcji z dołączonymi do nich kartami wzmacniaczy. 3-osiowa karta może zostać zamontowana bezpośrednio z 3-osiową nakładką wzmacniacza mocy z pominięciem połączeń przewodami.
Innym rozwiązaniem nakładek ze wzmacniaczami są wzmacniacze wykonane na potrzeby specyficznego rozwiązania. Może to być ważną zaletą, gdyż standardowe karty mają standardowe łącza, podczas gdy karta zbudowana na zamówienie ma łącza zoptymalizowane dla danego rozwiązania.
Architektura 2. Kontroler napędu zintegrowany z maszyną
W rozwiązaniu ze sterownikiem napędu zintegrowanym z maszyną (rysunek 2) algorytm sterowania wykonywany jest przez procesor kontrolera maszyny. Do generowania profilu ruchu, realizacji pętli sterowania i wykonywania krytycznych czasowo zadań sterowania ruchem osi służy oddzielny kontroler ruchu.
Karty takie mają bezpośredni interfejs użytkownika, wykorzystując przyciski, klawiaturę i ekran maszyny lub stanowią podsystem, który otrzymuje polecenia od komputera nadrzędnego przez Ethernet lub inne protokoły sieciowe. Zaletami tego rozwiązania są między innymi: łatwiejsze serwisowanie, ponieważ karta jest bardzo łatwo i w całości wymieniana; zredukowane okablowanie, ponieważ wzmacniacz napędów znajduje się na karcie; dedykowane danemu rozwiązaniu łącza i standard rozmiaru; niższe koszty jednostkowe rozwiązania.
Podstawową wadą są wyższe koszty projektowania karty i aplikacji w porównaniu do rozwiązań z kartami z półki. Aby ułatwić zadanie budowy takiej karty, można kupić dedykowany procesor sterowania ruchem.
Jeśli liczba projektowanych maszyn nie jest duża lub nie ma ograniczeń miejsca i zużycia energii, dobrą regułą jest wykorzystanie typowych, dostępnych w handlu komponentów wzmacniaczy. Generalnie, gdziekolwiek to jest możliwe, staraj się używać jednoprocesorowych kart lub gotowych do lutowania modułów.
Architektura 3. Niezależny kontroler napędu
Inną możliwością budowy sterownika urządzenia jest użycie niezależnego sterownika napędu, znanego jako inteligentny wzmacniacz lub indeksator. W tym rozwiązaniu sterownik napędu umieszczony jest w oddzielnej obudowie, najczęściej montowanej na raku lub szynie DIN. Kontrolery te służą najczęściej (ale nie zawsze) do sterowania pojedynczymi osiami i są zasilane z szyny DC. Wersje wysokiej mocy zasilane są z sieci prądu zmiennego (rysunek 3).
Pomyślmy o każdym takimurządzeniu jak o karcie sterowania napędem umieszczonej w obudowie. Produkty takie wykorzystuje się w specyficznych sektorach przemysłu i są wyposażone w specjalne interfejsy do wymiany danych. Wykorzystywane są najczęściej do obsługi procesów rozległych, w których rozlokowywane są z daleka od siebie.
Klasycznym przykładem tego rodzaju procesów jest butelkowanie czy produkcja cukierków. Materiał przenoszony jest wzdłuż linii produkcyjnej, do której obsługi wykorzystuje się wiele napędów wykonujących niewielkie, proste lokalne funkcje, takie jak pchnięcia, pociągnięcia, cięcia, napełnianie itp. Nadrzędną kontrolę nad procesem pełni jeden bądź kilka sterowników PLC lub komputerów PC, ale pracą każdego napędu dla maksymalizacji szybkości i dokładności sterują lokalne sensory, aktywizowane w miarę przemieszczania się obrabianych elementów. Na pracę w takim trybie pozwalają wbudowane w każdy kontroler indeksatory lub wejścia cyfrowe. Sterując stanem danego bitu, można wywoływać różne funkcje kontrolera, takie jak ruch do zadanej pozycji czy ruch zgodny z przygotowanym profilem CAM.
Nowoczesne wersje kontrolerów dają możliwość uruchamiania programów starowania ruchem, co pozwala na wykonanie sekwencji ruchu silnika, takich jak: „Rusz silnikiem z prędkością x, zatrzymaj, gdy sygnał y będzie w stanie wysokim, czekaj na z”.
Niezależne kontrolery napędu pracują całkiem dobrze, gdy sekwencje ruchów sinika są w miarę proste i mniej lub bardziej autonomiczne. W porównaniu do kart napędowych wykorzystujących zewnętrzne wzmacniacze urządzenia te pozwalają znacznie zmniejszyć okablowanie. Każde urządzenie zawiera sterownik jednej osi, więc połączenie karty ze wzmacniaczem ukryte jest wewnątrz obudowy.
Historyczną wadą są już dość duże rozmiary takich kontrolerów, ich relatywnie wysoka cena oraz wykorzystywanie języków programowania podobnych do tych dostępnych w sterownikach PLC. Cechy te są przydatne w niektórych aplikacjach, ponieważ znacznie ułatwiają serwisowanie, a same urządzenia są bardziej odporne. Jeżeli maszyna, której mają być częścią, jest wielkości samochodu bądź jeszcze mniejsza, to taka architektura może nie być najlepszym rozwiązaniem.
Architektura 4. Napędy rozproszone
Ostatnie rozwiązanie architektury systemu sterowania napędem wykorzystuje szereg modułów zwanych napędami rozproszonymi (rysunek 4), które łączą w sobie możliwości synchronizacji kart wieloosiowych ze zmniejszeniem okablowania i zwiększeniem odporności niezależnych kontrolerów. Do komunikacji z jednostką centralną napędy rozproszone wykorzystują sieć. Poza tym mają wszystkie cechy standardowego kontrolera, tj. generator profili ruchu, wzmacniacz, wewnętrzny zasilacz DC lub AC.
W zależności od konkretnej aplikacji stosowane są dwa typy napędów. Pierwszy z nich nazywany jest systemem powiązanym ściśle. Wykorzystuje szybkie i deterministyczne sieci, takie jak SERCOS, EtherCAT czy Ethernet/Powerlink. Karty napędowe lub komputery PC napędów powiązanych ściśle wymagają specjalnego oprogramowania synchronizującego i koordynującego ruch wielu osi. Informacje o zadanych wartościach pozycji i/lub prędkości przesyłane są do każdego z napędów setki, a nawet tysiące razy na sekundę.
Drugi typ napędu rozproszonego można nazwać powiązanym luźno. Wykorzystuje wolniejsze sieci typu Ethernet, CAN czy RS-485. Napędy te są kontrolowane również przez system nadrzędny, ale same napędy wykorzystują w większym stopniu funkcje profilowania ruchu. Przesyłane do napędu komendy brzmią mniej więcej: „Przejedź do pozycji x z wykorzystaniem profiluy”. Same napędy są więc bardziej autonomiczne i wykorzystują lokalne czujniki.
Zaletą napędów rozproszonych jest zmniejszenie okablowania i zwiększenie niezawodności. Inną zaletą jest skalowalność. Uzupełnienie systemu o jedną bądź większą liczbę osi wymaga jedynie podłączenia ich do sieci (w przypadku kart wieloosiowych dodanie piątego napędu przy stosowaniu karty czteroosiowej wymagałoby dokupienia kolejnej karty). Istotną cechą napędów rozproszonych jest możliwość zamontowania czy wręcz zintegrowania sterownika napędu z silnikiem, co eliminuje konieczność łączenia tych urządzeń. Elektronika sterownika zamontowana na silniku będzie dodatkowo chłodzona. Narażona jest jednak przy tym na dodatkowe wibracje, a w przypadku jej uszkodzenia wymianie podlega cały moduł kontroler/silnik. Może to być zaletą, ale również wadą rozwiązania. Wszystko zależy od konkretnego zastosowania. Redukcja kosztów polega tu przede wszystkim na ograniczeniu okablowania i zintegrowaniu konstrukcji. Koszty samodzielnego projektowania i montażu układów elektroniki na silniku do pracy w niekorzystnych warunkach mechanicznych i cieplnych mogą okazać się dużo wyższe.
Ostateczna decyzja
Kiedy jedno rozwiązanie jest lepsze od innego? Na to pytanie nie ma łatwej odpowiedzi. Czasami systemy o dwóch różnych architekturach mogą pracować równie wydajnie. Dla aplikacji bardziej wrażliwych kosztowo wydaje się, że lepszym rozwiązaniem jest zaprojektowanie karty serownika napędu i bezpośrednia integracja, najlepiej jakimś specyficznym łączem, ze wzmacniaczem. Można przy tym zadbać o właściwe rozmiary i kształt rozwiązania.
Maszyny wymagające synchronicznej pracy wielu napędów będą raczej automatyzowane z wykorzystaniem ściśle powiązanych napędów rozproszonych. Choć nie są tanie, napędy te dają większą elastyczność w doborze typu i mocy silników. To rozwiązanie w dalszym ciągu wymaga nadrzędnego sterownika napędu lub komputera PC z dedykowanym oprogramowaniem do generowania ścieżek ruchu silników.
Bardzo wiele średnio wymagających aplikacji w przemyśle medycznym, półprzewodnikowym, układach automatyki niskiej mocy może zostać z powodzeniem zautomatyzowanych z wykorzystaniem każdego z pozostałych prezentowanych rozwiązań.
Artykuł pod redakcją dr. inż. Pawła Dworaka z Katedry Automatyki Przemysłowej i Robotyki Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.
CE