Интелигентни сервозадвижвания

Традиционното предназначение на сервомеханизмите в индустриалната автоматизация значително се разширява с настъпването на Четвъртата индустриална революция. Благодарение на развитието в сегмента и напредъка при микропроцесорната техника съвременните сервозадвижвания стават все по-интелигентни, а задачите им вече не се изчерпват само с това да изпълняват точно позициониране с висока повторяемост и прецизен контрол на скорост и въртящ момент.

Високотехнологичните модели на пазара днес разполагат с възможности за по-висши функции като превантивна диагностика, индустриална комуникация и функционална безопасност, станали популярни с концепцията за Industry 4.0.

Интелигентни сервозадвижвания се интегрират в технологичното оборудване с цел увеличаване на рентабилността му в широк набор от промишлени приложения, включително в индустриални роботи и манипулатори, поточни и опаковъчни линии, транспортни механизми, металообработващи и металорежещи машини, оборудване за pick and place операции и т. н.

Изискванията на Industry 4.0

Последните тенденции при сервосистемите включват вградени контролери за управление на движението, високоскоростни комуникационни интерфейси и все по-широк асортимент от интелигентни възможности. Ако при серводвигателите от по-старо поколение около 80% от капацитета се изчерпваше със задвижване, а едва 20% от него беше заделена за сервизни функции, то при интелигентните съвременни версии съотношението е приблизително обратното. Това е вследствие на значителното нарастване на дела на смарт функционалността през последните десетилетия с фокус върху ключови приложения като индустриалната комуникация.

Основната разлика между интелигентните задвижвания и по-старите поколения е вграденият контролер на движения, който позволява на самото устройство да взима решения за отработване на определени движения и по този начин разтоварва централния контролер за по-първостепенни функции и увеличаване на изчислителната им мощ. Възможности за комуникация са налице и при по-старите поколения задвижвания – дори стандартен сериен интерфейс отговаря на нуждите на стандартните приложения. В повечето устройства обаче той е ограничен по скорост и това налага използването на по-нови и по-високоскоростни комуникационни технологии, които се характеризират и с по-опростено окабеляване.

Сервозадвижванията в модерните дигитални фабрики се нуждаят от възможности за връзка с производствената Ethernet платформа посредством комуникационен протокол като EtherCAT, Ethernet/IP или PROFINET, за да е възможно функционирането им в синхрон с IoT-свързаните устройства в мрежата. Задвижванията могат да изпращат информация за скоростта и позицията чрез индустриални Ethernet протоколи като CiA 402 за EtherCAT, като същевременно могат да предават обратно към мрежата данни за състоянието на изпълнителния механизъм и да изпращат нотификации за предстояща нужда от поддръжка с помощта на функциите си за превантивна диагностика. Прогнозният мониторинг е базиран на алгоритми за дълбоко самообучение, които регистрират отклонения в работата на двигателя и е сред стандартните възможности на интелигентните сервозадвижвания за Industry 4.0 приложения.

Надграждане на функционалността

Функционалната безопасност е сред водещите изисквания към оборудването за интелигентни фабрики. В традиционните производства покриване на ниво 3 от спецификациите, описани в стандарта за функционална безопасност на електрически/ електронни/ програмируеми електронни системи за безопасност IEC 61508 (БДС EN 61508), е напълно достатъчно. При проектиране на оборудването е необходимо да се покрият спецификациите и на стандарта IEC 61511 (БДС EN 61511 “Функционална безопасност. Системи за осигуряване на безопасност за обработващата промишленост”).

Изискванията към интелигентните сервозадвижвания от ново поколение са още по-стриктни. Тези системи е необходимо да отговарят на изискванията в категория 4, ниво на изпълнение E, от стандарта (БДС EN) ISO 13849-1 “Безопасност на машините. Части от системите за управление, свързани с безопасността. Част 1: Общи принципи за проектиране”.

На практика внедрените в серводвигателя интелигентни технологии и услуги са необходими за безпроблемното обезпечаване на тяхната процесорна функция, традиционно свързана с автоматичното непрекъснато изчисляване на статорния ток от текущата позиция на ротора и необходимия въртящ момент. За тази цел доскоро се използваха основно микропроцесори, които ефективно изпълняваха контролните задачи на сервозадвижващата система. Във високотехнологичните съвременни Industry 4.0 приложения серводвигателите се налага да поддържат по-висши функции като интегрирано управление на движението и комуникации. Микроконтролерите стават все по-бързи и ефективни при изпълнение на задачите, но производителите търсят децентрализирани решения, при които са налице възможности част от функциите на една машина да се делегират на задвижванията или други периферни устройства. Така оборудването може да запази своята функционалност дори при отказ на контролера. Важен е и въпросът за себестойността на системата, тъй като микроконтролерите традиционно са скъпи устройства, изискващи специализирано програмиране. Конфигурирането на задвижвания, от друга страна, е важно да може да се извърши и от стандартно обучен персонал, както и дистанционно. Така производителите на интелигентни сервозадвижвания за дигиталното производство постепенно заменят микроконтролерите с многоядрени процесори с голяма изчислителна мощ, традиционно внедрявани в настолните компютърни конфигурации, които разполагат с възможности за управление в реално време и други интегрирани услуги.

Специфики при процесорното управление

По-високото ниво на интеграция спомага за драстично редуциране на времената на изчакване (латентност) при комуникацията между множество системи на един чип (SoCs), като ги заменя с обмен на данни между различни ядра на една и съща процесорна система. Друго ключово предимство на мултиядрените процесори с множество функции (от порядъка на клас Cortex-A), които стават все по-популярни в сервозадвижванията, е тяхната мащабируемост. Тя се дължи на възможностите процесорът да бъде конфигуриран с едно или множество ядра с различни нива на производителност.

Разбира се, налице са и предизвикателства при прехода от традиционния дизайн, базиран на микроконтролер или полеви програмируем логически масив, към севозадвижвания с процесорно управление. Операционни платформи като Linux започват да се използват в моушън контролерите, които управляват многоосни системи и използват високоскоростни комуникации. Този процес обаче е свързан с някои негативи, според експертите – залагането на операционни системи в сервозадвижвания може значително да затрудни работата с тях и да “утежни” управлението им.

Микроконтролерите традиционно разполагат с вградена флаш памет, интегрирани функции за управление на мощността и захранването, както и физически Ethernet слоеве за комуникация. При процесорите тези компоненти типично не са интегрирани в конфигурацията, което допринася за цялостната по-висока крайна себестойност на системата.

Приложения

Приложенията на индустриалните роботи в съвременните дигитални производства непрекъснато се усъвършенстват. Ето защо и самите роботизирани системи се налага да стават все по-бързи, прецизни и издръжливи. Сред компонентите, които търпят радикална технологична еволюция, са сервозадвижванията, които биват заменяни със свои интелигентни аналози с подобрена функционалност.

Основната разлика между конвенционалните и умните серводвигатели е начинът, по който се управляват. При традиционните модели контролният блок изпраща команда за позициониране към задвижващия механизъм посредством сигнал с широчинно-импулсна модулация (ШИМ) или в по-простия вариант – чрез Step/Dir интерфейс. Така стандартните (неинтелигентни) сервозадвижвания получават работното задание и го отработват, а информация за точното позициониране извличат от вградения си енкодер. Интелигентните задвижвания, от друга страна, разполагат с втори вход за обратна връзка – при тях е налице т. нар. затворен контур. Това позволява да се използва ротационен или линеен енкодер (скала), на чиято база да се извършва позиционирането.

Интелигентните сервозадвижвания използват серийна комуникация, която позволява двупосочен обмен на информация. Софтуерният протокол и хардуерното обезпечаване на серийната комуникация зависят от производителя, гамата и класа на двигателя. Най-популярните хардуерни протоколи в областта са TTL Half-Duplex, TTL Full-Duplex и RS-485. В тази връзка, дизайнерите на индустриални роботи често се налага да подбират задвижвания от един и същ производител или гама, за да се гарантира тяхната оперативна съвместимост в системата.

Широко приложение модерните интелигентни задвижвания намират и в машини за pick and place операции, използвани в повърхностния монтаж на печатни платки в електронното производство. При сравнителен анализ на две такива машини в практиката се оказва, че по-малката, лека и базово оборудвана машина може да осигури по-висока производителност благодарение на интегрираните си интелигентни сервомеханизми. И двете машини са с двойна портална конструкция и монтажни глави по оста Z, които управляват линейната и ъглова ориентация на компонентите, като и двете конфигурации монтират печатни платки с еднакъв размер и извършват позициониране на малки аналогови елементи с висока плътност.

Умните сервозадвижвания се доказват като високофункционално решение в приложения, в които по-голяма част от консумираната електроенергия се използва за преместване на товари. Двигателите, които разполагат с енкодери с висока резолюция и чувствителност, притежават възможности коректно да осъществяват мониторинг, да изчисляват и анализират движенията на машини, части и устройства, които са под управлението на системи за контрол на движението. Изчисляването на въртящия момент, силата, скоростта и позицията на преместване в такива системи позволява събиране на данни за всеки от параметрите в реално време и с висока резолюция. На база събраната информация е възможно да се приложи многоизмерен анализ на ниво машина, производствена линия и дори цялостно производствено съоръжение с цел диагностика на моментното състояние на оборудването, предписания за превантивна поддръжка, предотвратяване на предстоящи неизправности и съкращаване на нежеланите престои.

В примерната машинна конфигурация са използвани ултракомпактни, леки и високоиздръжливи интелигентни сервозадвижвания, директно монтирани към подвижните оси XY. Така се опростява дизайнът на монтажните глави, които използват и по-малко енергия. “Паразитната” мощност, консумирана от конекторите, кабелните носачи и гъвкавите кабели, е значително редуцирана. В резултат задвижванията са по-чувствителни и адаптирани към товарите.

За да се постигне оптимална производителност при pick and place машините за повърхностен монтаж в електрониката, те трябва да разполагат с голяма динамика.

Интегрираните интелигентни сервозадвижвания позволяват прецизна телеметрия и анализ с висока резолюция и чувствителност, както и кратки времена на отговор.

При високи скорости на преместване по осите XY често възникват негативни ефекти като системна нелинейност и интензивни паразитни механични трептения. За да противодействат на тези явления, конструкторите на машини обикновено залагат на по-тежки и обемни механични системи, които се нуждаят от по-мощни и големи двигатели, предавателни механизми и задвижвания. В резултат често страда скоростта на работа на машината, която става тромава и тежка.

По-ефективно решение за елиминиране на гореописаните проблеми предлагат технологиите за интелигентно сервоуправление на движението. При тях не е необходимо излишно да се “утежнява” механиката на машината, което ги прави икономически по-рентабилни. В допълнение, вместо за задвижване на тромави механични компоненти консумираната мощност се съсредоточава в изпълнение на крайните задачи на системата, а именно – преместване и позициониране на необходимите обекти. Концепцията предлага и още предимства, сред които: прецизен мониторинг на позиционирането, детекция на временни и дълготрайни отклонения в монтажните сили, които е възможно да бъдат предизвикани от неизправност на механичните компоненти, износване или неточности в размерите и др.

Конфигурация, гъвкавост и прецизност

Подобно на стандартните честотни регулатори, т. нар. дигитални задвижки могат да бъдат конфигурирани с цел модифициране на параметри като централна и крайна точка, посока на въртене, максимална скорост, мъртва зона на честотната лента (dead band), както и функция за запазване на надеждна работа при отказ на отделни елементи (fail-safe). Както е при комуникационните протоколи, конфигурируемите параметри при интелигентните задвижвания зависят от гамата, класа и производителя. В общия случай, на настройка подлежат набор от променливи като максималната скорост, минималната и максимална позиция, текущото ограничение по отношение на безопасността и др. Самата конфигурация се извършва посредством серийната комуникация, затова не е необходимо специално програмиращо устройство да бъде интегрирано във всяко задвижване. Друго предимство на интелигентните серводвигатели е, че настройките могат да бъдат променяни на ниво система, без да е нужно изключване на задвижките от веригата и конфигурирането им една по една.

Последователното предаване на информация по комуникационния канал позволява изпращане на различни типове входящи команди за разлика от конвенционалните задвижвания, при които може да бъде подадена само такава във връзка с позиционирането. Интелигентните сервосистеми могат не само да приемат позиционни команди, но също скоростни и времеви. Това означава, че е възможно задвижването да бъде конфигурирано така, че да се движи с целева скорост от 10 градуса в секунда за период от 2,5 секунди например. При конвенционалните сервосистеми скоростта до голяма степен се определя от скоростта, с която се изменя ШИМ сигналът. За да се зададат горните параметри за скоростта и времетраенето, всички изчисления е необходимо да бъдат извършени в контролера, а модулираният сигнал непрекъснато да се обновява, за да съответства на желаната скорост. Тъй като конвенционалните сервозадвижвания не разполагат с възможности за обратна връзка, ако ШИМ сигналът се изменя прекалено бързо, задвижката ще изостава, а контролерът няма как да получи тази информация без допълнителни сензори като потенциометри или енкодери.

Интелигентните системи от друга страна разполагат с функции за изключване на двигателя. В такива случаи задвижването се върти свободно, като запазва способността да разчита позицията си в реално време. Това е особено полезно в сферата на роботиката, където дадена позиция често се налага да бъде калибрирана. С изключване на моторното управление роботът може да бъде поставен в калибрираната позиция, а след това моментните му местоположения просто да бъдат записани.

Интелигентните сервозадвижвания все по-често се използват в приложения, в които се изисква обратна връзка за реалната позиция, необходима е ротация на повече от 180 градуса и/или е нужна по-висока прецизност при управление на движението.

Предимства на интелигентните задвижвания

Серводвигателят традиционно се грижи за позицията, която трябва да достигне, както и за мониторинга на системата, например за защита от претоварване. Интелигентните задвижвания се отличават с редица предимства в сравнение с конвенционалните си аналози. Основните сред тях са възможностите за високоскоростна комуникация, усъвършенстван мониторинг и подобрена безопасност. В допълнение, при интелигентите версии задвижването не е нужно да получава всяка команда поотделно – при циклична работа командите се зареждат наведнъж.

Предимство на серийната комуникация e начинът, по който серводвигателите се свързват помежду си. Изискването при стандартните задвижвания е да бъдат свързани директно към главния контролер. Това означава, че с цел опростяване на дизайна са необходими различни дължини на кабелите. Интелигентните сервосистеми могат да бъдат верижно свързвани във верига тип “daisy-chain”. Всяко задвижване има два конектора, които позволяват последователна връзка вместо индивидуално свързване между всяко устройство и контролера. Това означава, че при конструирането на роботизирана ръка първото сервозадвижване ще бъде свързано към контролера, второто – към първото и т. н. Всички задвижвания споделят една и съща комуникационна линия и за целта е необходимо да разполагат с уникален адрес, за да е възможно насочването на команди за управление точно към желания сервомеханизъм по линията.

Съвременните сервозадвижвания разполагат и с други усъвършенствани функционални възможности. Те могат да включват моторни енкодери с много висока резолюция, например 20-битови (около 1,04 млн. импулса) или 24-битови (около 16,7 млн. импулса). Повечето от тези енкодери са абсолютни, което осигурява непрекъсната работа на системата. Така дори и след изключване и повторно включване задвижването разполага с информация за точната позиция на мотора.

Важно е да се спомене и друго предимство на задвижванията от ново поколение. Те позволяват управлението както на стандартни ротационни мотори, така и на т. нар. линейни мотори, които осигуряват отлични възможности за бързодействие. В допълнение, на една линейна ос е възможно да бъдат поставени няколко “ядра”.

Благодарение на това едновременно по тази ос могат да бъдат придвижвани няколко обекта разнопосочно.