Jak vybrat síť pro polohování

-- 26.07.11 20:31

Výběrem vhodné polohovací sítě maximalizujte spolehlivost, rychlost a snadnost provozu a údržby.

Potřebuje-li stroj nebo robot polohování, je pravděpodobné, že automatizační systém bude využívat vysokorychlostní řídicí síť pro digitální polohování. Tyto sítě poskytují řadu výhod (synchronizace, časové značky a aktualizace v řádu milisekund s mikrosekundovým nebo menším jitterem). Nicméně navrhování těchto sítí vyžaduje současné dosažení vysoké spolehlivosti, maximální rychlosti, nízkých nákladů a snadného provozu a údržby. Mnoho polohovacích aplikací je kriticky náročných na rychlost,  přičemž vyšší rychlosti vedou k vyššímu objemu dat. Se  zvyšováním rychlosti nabývají na významu detaily provedení polohovací sítě. Níže uvádíme, jak maximalizovat spolehlivost a rychlost polohovací sítě, zaručit kompatibilitu mezi polohovacími komponentami, minimalizovat náklady a zajistit snadný provoz a údržbu.

Potřeba vysoké rychlosti

Téměř každá moderní digitální síť pro polohování je založena na Ethernetu, avšak existují značné rozdíly na úrovni protokolu a v komunikačním hardwaru obsaženém v každé polohovací komponentě. Každá polohovací komponenta obvykle obsahuje komunikační čip pro výměnu informací s jinými komponentami v síti. Protokol a čip spolupracují na optimalizaci komunikace pro příslušný úkol (v tomto případě polohování). Pro posuzování polohovacích sítí na bázi Ethernetu je nezbytné zkontrolovat, zda jsou splněny všechny klíčové požadavky uvedené v tabulce. Relativní důležitost každého požadavku bude záviset na konkrétních charakteristikách dané aplikace. Výběrem správné polohovací sítě zajistíte, že stroj nebo robot bude produkovat díly správným způsobem a s maximální rychlostí.

Nejdůležitějším požadavkem na polohovací síť je spolehlivost a vysoká rychlost. Většina moderních polohovacích sítí je velmi spolehlivá a minimalizuje selhání komponent, takže provozní spolehlivost závisí na dalších faktorech, zejména na kontrole chyb a rychlé obnově po případné chybě. Tyto kriticky významné vlastnosti umožňují správnou výrobu dílů. S vyšší rychlostí se zvyšuje objem výroby, a tím i počet dílů. Polohovací příkazy stroje nebo robota jsou obvykle zasílány z hlavního řídicího prvku do polohovacích komponent. Tyto příkazy obvykle obsahují informace, jako je požadovaná pozice, rychlost a/nebo krouticí moment. Opačným směrem polohovací komponenty často posílají do řídicího prvku data o  aktuálních polohovacích parametrech. Pro zajištění garantované vysoké rychlosti musí všechna data přijít na místo určení rychle a v pořádku. Ve vzácných případech, kdy se data poškodí nebo ztratí, by měla síť problém detekovat a náležitě zareagovat. 

Názorným příkladem je aplikace číslicového řízení CNC. CNC se spoléhá na to, že do polohovacích komponent přijdou správná data, takže řezací nástroj vyřeže správný tvar. Pokud nějaká data chybí, CNC buď použije polohovací data z předchozího paketu, nebo provede odhad extrapolací dat podle předchozích datových bodů (obrázek 1). Chybějící data mohou nepříznivě ovlivnit kvalitu produktu. Jedno z řešení chybějících dat je následující: Když dojde k chybě, stroj se zastaví a spustí se znovu. Nevýhodou tohoto přístupu je to, že stroj se bude muset restartovat mnohokrát, pokud je systém náchylný na rušení nebo má jiné provozní problémy způsobující časté ztráty dat. Lepším řešením by byla komunikační síť, která automaticky přeposílá data, dojde-li k poškození některých datových položek.

Například polohovací síť Mechatrolink kontroluje, zda všechny polohovací komponenty přijaly data zaslaná hlavním řídicím prvkem, a tato kontrola se provádí bezprostředně po zaslání počátečních dat. Pokud kterákoli polohovací komponenta přijme poškozená data, polohovací síť znovu pošle data pouze do této komponenty. Nová data jsou zaslána ve stejném cyklu jako původní data, přičemž nově zaslaná data se nyní nacházejí na konci datového toku (obrázek 2). Přeposlaná data jsou zahrnuta do stejného komunikačního cyklu pro maximalizaci rychlosti případné obnovy. Tato funkce přeposílání dat je užitečná pro zajištění správného doručení dat v každém komunikačním cyklu a umožňuje systému dobře fungovat v prostředí s výskytem rušení.

Zjištění skutečné rychlosti

Provozní rychlost komunikace na bázi Ethernetu, například sítí Mechatrolink, SERCOS, Profinet a EtherNet/IPm, je obvykle 100 Mbps. Skutečná rychlost aplikace závisí na tom, jak rychle dokáže polohovací systém provádět po sobě následující operace, což je dáno dobou cyklu. Dvěma nejdůležitějšími proměnnými, určujícími dobu cyklu, je množství dat zasílaných každé polohovací komponentě a celkový počet komponent. Většina, ne-li všechny polohovací sítě na bázi Ethernetu, umožňují měnit podle požadavků aplikace množství řídicích dat zasílaných do každé polohovací komponenty. Skutečná rychlost za provozních podmínek  bývá u mnoha polohovacích sítí na bázi Ethernetu zahalena tajemstvím. Na skutečnou rychlost mají vliv všechny proměnné určující dobu cyklu. 

Některé organizace, zabývající se poloho vacími sítěmi, jako je například Mechatrolink, poskytují nástroj umožňující uživateli zadat síťovou architekturu a vypočítat dobu cyklu (obrázek 3). Nástroj pro výpočet doby cyklu zohledňuje množství dat zasílaných do každé polohovací komponenty, celkový počet komponent, délku komunikačních kabelů mezi nimi, použití hubů a zpoždění všech čipů Mechatrolink. Tento nástroj pomáhá určit, zda je možno navrhovanou architekturu polohovací sítě provozovat za požadované rychlosti. Dalším požadavkem při výběru polohovací sítě je dostupnost vzájemně kompatibilních komponent. Většina výrobců strojů a robotů má preferované dodavatele automatizačních komponent. Je nezbytně nutné, aby tyto komponenty byly vzájemně kompatibilní v integrovaných polohovacích systémech.

Důležitost kompatibility

Dodavatelé polohovacích sítí na bázi Ethernetu obvykle nabízejí test souladu pro kontrolu, zda komponenty budou spolupracovat s komunikačním protokolem. U dodavatelů je také běžnou zásadou, že nedovolí použít logo komunikační technologie na komponentě, dokud úspěšně neabsolvovala test souladu. Například strojní nebo robotický automatizační systém může zahrnovat hlavní řídicí prvek, vzdálené I/O, systém počítačového vidění a pohony servomotorů. Dosažení nejlepšího výkonu a nejnižší ceny takového systému může vyžadovat použít jednotlivé prvky od různých dodavatelů. Polohovací sítě s širokou paletou dostupných kompatibilních komponent nabízí více výhod pro splnění potřeb aplikace.

Dokonce i když jsou komponenty ve fázi návrhu pečlivě vybírány, skutečné uvedení do provozu může odhalit, že některý prvek není pro dané použití vhodný – například zvolený vzdálený I/O nefunguje podle očekávání nebo má systém počítačového vidění omezení, která nebyla při počátečním návrhu patrná. Kompatibilní komponenty dovolují provádět potřebné změny bez ovlivnění životaschopnosti zbytku automatizačního systému. Schopnost Ethernetu simultánně přenášet více protokolů může zdánlivě být příležitostí ke kombinaci komunikačních protokolů a automatizačních komponent. Kombinování protokolů však může přinášet problémy. Polohovací síť na bázi Ethernetu je méně náchylná na problémy při použití jednoho protokolu než při použití dvou a více komunikačních protokolů.

Některé polohovací sítě na bázi Ethernetu využívají dva zabudované protokoly, přičemž jeden slouží jako nosný pro druhý protokol.Naštěstí tomu tak není u mnoha dobře známých polohovacích sítí, jako je Mechatrolink, SERCOS, Profinet a EtherNet/IP. Každá z těchto sítí využívá jeden kompletní protokol, používá testování souladu a povoluje použít své logo jen na komponentách, které úspěšně absolvovaly testy souladu. Tím je dosaženo zaručené kompatibility při navrhování polohovací sítě s využitím komponent od různých dodavatelů.

Připojení za provozu a údržba

Dalším klíčovým faktorem při výběru polohovací sítě je snadný provoz a údržba. Jak bylo uvedeno výše, správná síť pro polohovací systém může zvýšit dobu provozuschopnosti a usnadnit provoz díky použití automatické detekce a obnovy chyb. Standardním postupem údržby u mnoha závodů je odstavit výrobní linku k provedení údržby na jedné sekci stroje nebo robota. To je nezbytné u sítí vyžadujících restart po odpojení jakékoli části komunikačního systému nebo při detekci jakékoli komunikační chyby.

Efektivnějším postupem údržby je umožnit, aby stroj nebo robot zůstal v provozu, a to pomocí technologie připojení nebo výměny komponent za provozu (hot plug and play). Mnoho polohovacích sítí na bázi Ethernetu, včetně sítí Mechatrolink, SERCOS, Profinet a EtherCAT, nabízí technologii připojení za provozu. Umožňuje připojovat nebo vyměňovat polohovací komponenty bez přerušení komunikace mezi hlavním řídicím prvkem a dalšími komponentami (obrázek 4). Tuto síťovou architekturu lze snadno implementovat, pokud existuje široká nabídka kompatibilních produktů, z nichž je možno vybírat. Polohovací komponenty je pak možno vyměňovat za chodu stroje.

Derek Lee je polohovacím technikem divize pohonů a polohování společnosti Yaskawa America. www.yaskawa.com

Autor: Derek Lee