Postavit řídicí prvek nebylo nikdy snadnější – anebo více matoucí. Tento průvodce vám pomůže při určení, jakou architekturu polohování použít.

Navrhování řídicího prvku je především věcí výběru architektury. Při vývoji polohovacího řídicího prvku zajišťujícího přesné polohování nejprve určete, kde se budou nacházet zesilovače (pohony), zda bude použita síť a jestli je možné postavit celý řídicí prvek na jedné kartě. Při výběru architektury polohování zohledněte pět faktorů: 1) Kolik strojů bude vyrobeno po dobu životnosti výroby? 2) Existují nějaké specifické požadavky na tvar, rozměr a způsob připojenířídicího prvku? 3) Jaký je výkonový rozsah motorů? 4) Jaký je způsob plánování dráhy stroje a synchronizace polohování? 5) Jak kritické je dodávání na trh v přesně určeném termínu?

Architektura č. 1: Volně dostupné polohovací karty

Řídicí prvky strojů mohou využívat volně dostupnou polohovací kartu připojenou k vnějším zesilovačům vybaveným vstupem analogového signálu +/- 10 V pro řízení krouticího momentu, příp. rychlosti motoru (viz schéma volně dostupná víceosová polohovací karta). Řídicí prvek stroje tvoří jedna nebo více specializovaných polohovacích karet, připojené motorové zesilovače a hostitelský počítač (nejčastěji PC), kde je uložen uživatelský programový kód pro řízení stroje a správu uživatelského rozhraní. Nejdůležitějšími aspekty, o kterých je nutno rozhodnout, je způsob připojení polohovací karty k hostitelskému počítači a rozměrový formát karty. Obvyklé koncepce sběrnice jsou PCI, PC/104, CANBus a Ethernet. Některé z nich, například sběrnice PC/104, víceméně určují mechanický formát karty.

Karty připojované na sériové rozhraní, jako je CANBus a Ethernet, se někdy nazývají samostatné karty a jsou dodávány v nejrůznějších tvarech a rozměrech. K výhodám patří flexibilita. Polohovací řídicí prvek je nezávislý na výkonové úrovni motoru a častokrát i na jeho typu. Pokud je výstupem polohovacího řídicího prvku jednofázový signál +/- 10 V, je možno jej připojit k servozesilovači pro řízení stejnosměrného motoru nebo k servozesilovači pro řízení bezkartáčového stejnosměrného motoru (pokud zesilovač provádí komutaci). Chce-li uživatel zvýšit výkon motoru nebo změnit typ motoru, není nutno měnit polohovací kartu, jen zesilovač. Hlavní nevýhodou je složitost zapojení a náklady.

U typického servozesilovače je ke každé motorové ose připojeno 15 až 25 vstupních a výstupních vodičů, a to podle toho, zda se využívají diferenciální signály (velmi doporučeno) a zda řídicí prvek nebo zesilovač provádí komutaci. Postavit řídicí prvek pro desetiosový systém s touto koncepcí by vyžadovalo vést strojem svazky se stovkami vodičů, což je složitý a nákladný přístup náchylný k závadám. Také rozměrový formát komerčně pořízených karet je obecně složitější na údržbu. Došlo k problému u polohovací karty? Nebo to bylo v zesilovačích? Je problém v kabeláži? Větší počet součástí u řídicího prvku stroje představuje více oblastí, které je nutno při hledání příčiny problému zkoumat.

Vzhledem k prudkému vývoji v oblasti výkonové hustoty spínacích zesilovačů získávají na oblibě varianty standardní, komerčně dostupné polohovací karty. Mnoho polohovacích karet je dodáváno s volitelnými zásuvnými zesilovačovými kartami. Tříosou polohovací kartu lze namontovat přímo s tříosou zesilovačovou kartou namísto napojení k diskrétním zesilovačům pomocí kabelu. Další variantou zásuvné karty zesilovače je zakázková propojovací karta obsahující zesilovače. To může být výhodou, protože komerčně dodávané karty jsou osazeny určitými konektory, zatímco zakázkové propojovací karty mohou mít konektory optimalizované pro daný stroj.

Architektura č. 2: Řídicí karty stroje

U koncepce integrované řídicí karty stroje (viz schéma) je aplikační programový kód uložen v mikroprocesoru. Obecně platí, že samostatný integrovaný obvod polohovacího řídicího prvku, označovaný také jako polohovací jednotka (motion controller), generuje profily, uzavírá smyčku servořízení a spravuje časově kritické elementy řízení os. Řídicí karty stroje mohou přímo komunikovat s uživatelem pomocí tlačítek či klávesnice a obrazovky nebo to mohou být subsystémy, které dostávají příkazy z hostitelského počítače prostřednictvím sítě Ethernet nebo jiných síťových spojení. K výhodám patří snadnější opravitelnost, protože celá řídicí karta má zásuvnou koncepci, což snižuje nároky na kabeláž, neboť zesilovače jsou umístěny na desce, formát a konektory jsou přizpůsobeny aplikaci a náklady na řídicí prvek jsou nižší.

Hlavní nevýhodou je větší pracnost navrhování ve srovnání s komerčně dostupnou polohovací kartou. Stále si však můžete zakoupit polohovací procesor, což usnadňuje vybudování řídicí karty stroje. Obecně platí, že pokud nejsou objemy příliš velké nebo nároky na prostor a výkon nejsou extrémní, nejlepším řešením pro zesilovač jsou komerčně dostupné součásti. Pokud je to možné, snažte se využívat jednočipové integrované obvody nebo pájitelné moduly.

Architektura č. 3: Samostatné polohovací řídicí prvky

Další architekturou pro vytvoření řídicího prvku stroje je samostatný polohovací řídicí prvek, označovaný také jako inteligentní zesilovač nebo indexer. U této koncepce je polohovací řídicí prvek krabicí, obvykle montovanou do stojanu nebo na lištu DIN. Tyto pohony jsou tradičně (ale ne vždy) jednoosé a jsou napájeny napětím ze stejnosměrné sběrnice. Verze s vyšším výkonem jsou napájeny střídavým napětím ze sítě. Tato architektura je zobrazena ve schématu samostatného polohovacího řídicího prvku. Tyto krabice můžete považovat za komerčně dostupnou polohovací kartu zavřenou v krabici. Takovéto produkty se využívají ve specifických odvětvích a mají specifická rozhraní k vnějšímu světu.

Provedení stroje bývá fyzicky rozprostřené. Klasickým příkladem je kontinuální zpracovatelský závod v průmyslovém měřítku, jako je stáčírna do lahví nebo výroba cukrovinek. Materiál se pohybuje po lince a interaguje s mnoha polohovacími měniči provádějícími drobné, jednoduché lokální funkce, jako je zatlačení, vytažení, sekání, plnění apod. Celkové řízení zajišťuje jeden nebo více prvků PLC nebo PC, ale každý pohon je spouštěn lokálními senzory pro maximální rychlost a přesnost, když přes ně jednotlivé vyráběné položky procházejí. Aby to mohlo fungovat, každý lokální samostatný polohovací řídicí prvek má vstupní konektor indexeru nebo PC s kontrolními bity I/O. Tyto vstupní bity mohou řídit funkce, jako je přesun na předem naprogramované místo nebo provedení určitého profilu CAM.

K moderním variacím samostatných polohovacích řídicích prvků patří schopnost stahovat programy do interní paměti, takže každý pohon může provádět autonomní sekvenci akcí, například „spustit motor s rychlostí x, když se signál y dostane vysoko, nechat jej doběhnout do zastavení a poté čekat na z“. Samostatné řídicí prvky fungují dobře, pokud je chování každé osy poměrně jednoduché a je víceméně autonomní. Ve srovnání s volně dostu

pnými kartami využívajícími externí zesilovače je kabeláž jednodušší. Každá jednotka obsahuje jeden funkční jednoosý řídicí prvek, takže kabeláž propojovací polohovací karty se zesilovačem je skryta ve skříni. Historickou nevýhodou je to, že samostatné řídicí prvky stroje bývají velké, relativně drahé a používají programovací jazyky orientované na PLC. To je žádoucí u některých aplikací, protože tyto jednotky se snadno opravují a jsou velmi robustní. Ale pokud je stroj velikosti automobilu nebo menší, tato architektura není nejlepší volbou.

Architektura č. 4: Distribuované pohony

Tato architektura polohování využívá

 řetězec polohovacích modulů jako distribuované pohony (viz schéma) kombinující synchronizační schopnost víceosých polohovacích karet s omezenou kabeláží a se zvýšenou robustností samostatných polohovacích řídicích prvků. Distribuované pohony využívají síť pro komunikaci s centrálním hostitelem a mají všechny standardní funkce pohonů, jako je generování profilu, zesilování a interní správa střídavého nebo stejnosměrného napájení. V závislosti na aplikaci se využívají dva druhy distribuovaných pohonů. První lze označit jako těsně spřažený pohon. Využívá vysokorychlostní a deterministické sítě, jako je SERCOS, Ether- CAT nebo Ethernet/Powerlink.

Těsně spřažené pohony vyžadují polohovací kartu nebo PC, kde běží speciální programové vybavení pro synchronizaci a koordinaci polohování každé osy. Každý pohon dostává rychlé aktualizace pozice nebo rychlosti, obecně několiksetkrát nebo několiktisíckrát za sekundu. Druhý typ distribuovaného pohonu lze označit jako volně spřažený pohon. Využívá pomalejší sítě, jako je Ethernet, CANBus a RS-485. Volně spřažené pohony jsou také řízeny z hostitelského zařízení, ale využívají více profilovací schopnosti v pohonu. U této architektury jsou do každého pohonu zasílány příkazy typu „přesunout osu do polohy x pomocí mezibodové křivky typu s“. Interakce u těchto pohonů bývají více autonomní a využívají vstupy lokálních senzorů. Výhodou distribuovaných pohonů, ať už těsně nebo volně spřažených, je snížená kabeláž a vyšší spolehlivost.

Další výhodou je škálovatelnost. Pro přidání další osy k síti distribuovaných pohonů stačí jen připojit další pohon. (V architektuře víceosových polohovacích karet by přidání další osy mohlo vyžadovat zakoupení nové karty, pokud například chcete přidat pátou osu ke čtyřosé kartě.) Důležitou variantou architektury distribuovaných pohonů je umístění pohonu přímo na motor samotný, což eliminuje kabeláž mezi pohonem a motorem. Elektronika se při montáži na motor bude muset potýkat se zvýšeným tepelným vyzařováním z motoru a s vibracemi. Pokud elektronika selže, musí se vyměnit celá integrovaná jednotka řídicí prvek/motor, což v závislosti na provedení stroje může anebo nemusí být praktické. Náklady na tyto sdružené jednotky mohou být přínosem, ale i nevýhodou, a to v závislosti na konkrétní aplikaci. Nákladové výhody vyplývají z omezené kabeláže a souvisejících nižších nákladů na výrobu. Může být dražší navrhnout a umístit do vhodné skříně elektroniku, která dokáže fungovat v náročném fyzickém a tepelném prostředí motoru.

Konečné rozhodnutí

Kdy tedy dát jedné koncepci architektury přednost před jinou? Snadná odpověď neexistuje a někdy lze u dané aplikace stejně dobře použít dvě architektury. U cenově citlivých aplikací je lepší navrhnout kartu a integrovat interní zesilovače, je-li to možné. Je užitečné mít možnost vybrat si specifické konektory a určit formát karty pro danou aplikaci. U vysoce synchronizovaných aplikací, jako jsou obráběcí nástroje, bude tendence zvolit koncepci těsně spřažených pohonů. I když tyto pohony nejsou levné, umožňují velkou flexibilitu ve výběru typu motoru a výkonového rozsahu.

Tato koncepce stále vyžaduje polohovací kartu pro generování celkové dráhy nebo PC k provozování specializovaného programovacího vybavení. V mnoha středně náročných aplikacích (lékařská automatizace, automatizace v oblasti polovodičů, vědecká přístrojová technika a nízkovýkonová obecná automatizace) lze použít několik koncepcí, včetně komerčně dostupných polohovacích karet, zakázkově budovaných řídicích karet stroje a volně spřažených distribuovaných pohonů.

Chuck Lewin je zakladatel a viceprezident pro technické zajištění společnosti Performance Motion Devices (PMD), dodavatele čipových polohovacích produktů.

www.pmdcorp.com