Цифровият стандарт

Интерфейсният стандарт за управление на електромеханични задвижвания

Когато цифровите задвижвания за първи път се появяват в света на машинното управление, те донасят множество подобрения, но са ограничени от ±10 V аналоговия или от фирмените цифрови интерфейси. Така пазарът започва да изисква отпадане на ограниченията на аналоговия ±10 V команден интерфейс, минимизиране на окабеляването, възможност за софтуерна настройка на задвижването - като алтернатива на ръчното - и елиминиране на нуждата от обвързване с фирмени цифрови интерфейси.

Съвременните контролери и повечето сервозадвижвания са почти изцяло цифрови, като остава само аналоговият интерфейс между тях. Цифровите контролери изчисляват зададената скорост, преобразуват тази команда в аналогов сигнал и го препращат към сервозадвижването, което го конвертира обратно в цифрова команда. В сравнение с аналоговите устройства, цифровите управления могат да осигурят по-кратко време за реакция, много по-добро траекторно управление и на практика никакви неблагоприятни реакции към големи отклонения в температурата на околната среда.

За да компенсират ограниченията на аналоговия интерфейс, някои производители интегрират цифровите контролери и задвижванията в отделен общ модул, като по този начин премахват изцяло изискването за интерфейсен сигнал. Някои многоосни контролери с общо предназначение включват изцяло цифрово управление с няколко задвижвания (от 1 до 4). И тъй като няма окабеляване за аналогов интерфейс и сигналите за обратна връзка по скорост и позиция са свързани на едно място, тези цифрови контролери драстично намаляват изискванията към окабеляването. Липсата на аналогов сигнал също елиминира аналоговите калибровки и електромагнитната интерференция при управлението по скорост. Освен това потребителите могат да програмират, като използват както Ladder език (релейна диаграма) за дискретно управление, така и функционални блокове за управление на процеси.

SERCOS интерфейсът

Съвременните сервозадвижвания и контролери изоставят аналоговите интерфейсни сигнали и преминават към цифрови интерфейси като SERCOS (SErial Real-Time Communication System) интерфейса. Тези цифрови интерфейси могат да донесат подобрена системна производителност и увеличена скорост.

В миналото потребителите трябваше да пускат аналогова линия от контролерите до двигателите. Сега те могат да монтират задвижването по-близо до двигателя. Тази възможност за разпределяне на задвижванията в производствената линия отдалечено от контролера носи предимства при множество приложения - например, две опаковащи линии могат да работят с един и същ контролер. При този сценарий едната линия може да спре, докато другата продължава да работи, или пък линията може да изпълнява две различни операции чрез един и същ контролер. В основата на тази гъвкава концепция е цифровата мрежа SERCOS.

Създаден като решение за машиностроенето, SERCOS се разви значително през последните години и се прилага при широка гама приложения със сервозадвижване. Той позволява повишаване броя на управляванитe оси и по-високи честоти на обновяване със скорости до 4 и 16 мегабода. Благодарение на предимствата на по-бързите мрежови технологии, SERCOS е подходящото решение за приложения за управление на задвижвания, които се нуждаят от разпределено управление.

Специфики на SERCOS

Стандартът предлага на OEM производителите отворена среда за управление на движението, която се поддържа от множество доставчици и позволява комуникация между устройства от различни производители. За разлика от други полеви мрежи, SERCOS е единственият стандарт, който предлага синхронизирано многоосово сервоуправление в реално време, изисквано от съвременните високоскоростни приложения за автоматизация.

Освен управлението на движението, SERCOS осигурява и възможности за I/O интерфейс, но не се счита за конкурент на индустриалните мрежи на ниво крайни устройства и на полевите индустриални мрежи. Използва се най-удачно за високоскоростен детерминистичен интерфейс за цифрови системи за управление на задвижвания, които също включват и някои I/O възможности. Много OEM производители на металообработващи машини включват полеви мрежи като DeviceNet, Profibus и Interbus в техните контролери за системни I/O, използвайки SERCOS за цифрово управление на задвижванията и някои локални входове-изходи.

Като алтернатива на ±10 V аналоговия интерфейс, SERCOS дава възможност за обмен на много по-голям обем информация към/от устройствата и входовете-изходите в системата. Всички параметри и команди се изпращат към интелигентните устройства, с което се осигурява подробна информация за състоянието и диагностични данни. Интерфейсите оперират със скорости 2/4/8/16 Mbps.

SERCOS понякога е критикуван, че е много бавен, но простото сравнение невинаги е уместно. Интерфейсът е създаден да управлява интелигентни цифрови задвижвания, които са проектирани да поемат и изпълняват част от интерполацията в самото задвижване. Така се налага предаването на много по-малко данни към задвижването в сравнение с други устройства, които трябва да получават пълните данни за всяка точка от траекторията от управляващия ги контролер. Много производители, поддържащи SERCOS, твърдят, че все още не са срещали приложение, което не може да бъде изпълнено на базата на стандарта.

Принципи на работа на SERCOS

SERCOS осъществява обмена на информация между контролера и сервозадвижванията чрез детерминистична мрежа в реално време. Контролерът изпраща команда за грубо позициониране към задвижването, използвайки т. нар. master data telegram (MDT). Задвижването отговоря чрез регулиране на скоростта на двигателя и изпраща информация за позицията на съответната ос чрез т.нар. amplifier telegram (AT) от задвижването към контролера. Този процес се повтаря на равни интервали и се синхронизира чрез т.нар. master synchronization telegram (MST). В задвижването се използва микроинтерполация за определяне на позицията между командите. SERCOS използва детерминистичен протокол, така че задвижването остава сигурно при управлението на движението на осите през цялото време.

На физическо ниво SERCOS свързва интелигентни цифрови устройства, изпълнителни механизми и входове-изходи, използвайки конфигурация оптичен пръстен с максимална дължина от 40 m между възлите и над 10 km обща дължина (при използване на пластмасов оптичен кабел), или 800 m между възлите и над 200 km обща дължина (при използване на стъклено оптично влакно). Допустими са до 254 възела на пръстен и множество пръстени. Естествено, скоростта на реакция варира в зависимост от броя на възлите, така че балансирането на мащабите на системата и скоростта зависи от проекта. Това осигурява намаляване на шумовете и улеснява окабеляването чрез елиминиране на множеството кабели, които изискват дискретните връзки.

Всички данни, включително командата за грубо позициониране, инсталационната и диагностична информация, преминават между управлението и задвижването по

SERCOS мрежа

В спецификацията на SERCOS (IEC 61491/EN61491) се включват над 400 параметъра. Това елиминира нуждата да се програмира или да се възстановява диагностична информация от задвижването, въпреки че тази възможност е налице за потребители, които искат да пренастроят задвижванията си, преди да е свързано управлението. Тъй като командният сигнал и цялата обратна информация по позиция могат да бъдат маршрутизирани по оптичната мрежа, изискванията към окабеляването забележимо се намаляват. За допълнително облекчаване на инсталирането конфигурационните стойности на цифровите задвижвания като тип операция (фино позициониране, скорост, команда за промяна на въртящия момент) могат за бъдат едни и същи за повечето приложения.

Освен това цифровите задвижвания вече могат да събират много от конфигурационните стойности, които са абсолютно уникални за всеки потребител: токът в двигателя в различните фази на движението, напрежението на шината, свръхнапрежение и спад на напрежението и характеристиките за енергийна ефективност. Интелигентните устройства като например двигателите с вградена памет могат да предават данни за своята идентичност към задвижването незабелязано от потребителя. Те притежават усъвършенствани възможности за самонастройка, с което автоматично се определят идеалните характеристики за реакция на системата. Лесни за използване конфигурационни “помощници” могат да водят потребителя стъпка по стъпка през последователността за задаване на стойностите, които не могат да бъдат предварително определени или се заредени по време на процедурата на първоначално инициализиране. Така че в крайна сметка клиентът получава улеснени изисквания за инсталиране и съкратени срокове за пуск.

Приложна област на SERCOS

В пакетиращата промишленост, например, се залага в голяма степен на високата скорост на производството. След като приложението за управление на движението е проектирано и инсталирано, логично следващата стъпка е да се ускори производственият процес. Цифровите задвижващи системи с разпределено захранване могат да осигурят средствата за оптимизиране на процеса на движението и да позволят по-бързото придвижване на продуктите. За да се осъществи това, задвижващата система събира данни за работата и ги предава към процесора по SERCOS мрежа. След като процесорът приеме информацията, тя може да бъде графично изобразена, като се използват вградени средства за анализ на тенденциите. Потребителят може да открие слабите места, като сравни работата на системата с максималната възможна производителност, и да предприеме действия за подобряването им. Тъй като всичко това може да се извърши от едно място, в контролера, задвижванията могат да бъдат разглеждани и оптимизирани като част от цялостната система, а не като индивидуални компоненти.

Потребителите на системи за управление на движението във всички индустриални сектори, преминаващи в цифровата ера, могат да ползват предимствата на цифровите задвижвания за SERCOS. Резултатът е по-лесно пускане в действие, по-висока точност и подобрена системна производителност. С развитието на мрежата потребителите могат да очакват и други интегрирани системни подобрения.