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        對運動控制而言,應用程序給數字總線帶來了可靠性

        發布日期:2017-11-29 17:50  來源:上海恩艾儀器有限公司
        "常規標準允許客戶對每個任務選擇最佳機動控制器,隨著數字化網絡的分布式控制發展,驅動器不僅需要交換相關控制數據,而且需要傳輸狀態信息和設置參數。只需改變配置,客戶就可以改變連接到控制器的電機類型,例如從感應到永磁伺服電機。"- Dan Hebert, PE高級技術編輯 

        挑戰:


         
        在自動化技術成熟之前,我們對標準規范、預測性能和假設的成本開支進行了討論。在發展階段,設備制造商、機器人制造商和系統集成商通常不會正眼相對供應商,主要因為供應商正在招攬幾乎無真實世界應用實例的利益來支持其主張
         
        解決方案:




         
        如果任何自動化組件沒有像運動控制器一樣需要具有廣泛布線的需要。從中央控制器到運動控制器,的離散信號可以包括啟動、停止、復位、表引用指針和其他信號。典型的模擬輸出典型上包括了是速度設置點和模擬類型。

        作者:
        Dan Hebert - PE高級技術編輯
         
        在自動化技術成熟之前,我們對標準規范、預測性能和假設的成本開支進行了討論。在發展階段,設備制造商、機器人制造商和系統集成商通常不會正眼相對供應商,主要因為供應商正在招攬幾乎無真實世界應用實例的利益來支持其主張。
         
        這描述了2007年數字運動總線的情況,當時相對而言幾乎很少有運動總線的應用存在。兩年之后,情況發生了巨大的變化。盡管在行業標準方面還有混淆,但關于利益和成本的爭論已經基于應用經驗而具體化。
         
        這種情況造成了設備制造商、系統集成商和供應商間的一致意見。如今與硬電線連接方式相比,大多數人都認為數字總線能節省資金和提高性能。還有一個普遍一致的共識,即盡管數字總線實現起來不會像早先的一些先驅技術那樣困難,但這些利益也不會輕易到來。
         
        經歷 AutomationXchange
         
        在過去兩年的每年5月,來自領先設備制造商的機械自動化專業團隊為了一系列戰略,已經與領先方案供應商面對面約見,一對一會議旨在向OEM’提出最迫切的需要。欲了解更多關于邀請信息的事件,請訪問AutomationXchange.com,或聯系項目負責人Andy Wuebben。
         
        連線無處不在
         
        如果任何自動化組件沒有像運動控制器一樣具有廣泛布線的需要。從中央控制器到運動控制器的離散信號可以包括啟動、停止、復位、表引用指針和其他信號。典型的模擬輸出包括了速度設置點和模擬類型。
         
        從運動控制器到中央控制器,離散信號可以包括總警報、警報代碼、執行和位置完成。典型的模擬輸入包括了實際速度、扭轉力和其他基于信息的值。
         
        “與硬電線連接方式相比,數字總線節省了資金和提高了性能。”
         
        20根電線和電纜可以運行在中央控制器和運動控制器間。將電線數與單個機器或機器人或手持材料系統中運動控制器的個數相乘,電線需求迅速,令人望而生畏。
         
        進入數字運動總線時代后,一根電纜就可以取代大量硬電線——這對簡化系統來說是個很好的功能,但幾乎對具有許多運動控制器的大型和復雜機器是必需的。
         
        連線消失
         
        “在更大型的運動控制系統中,設備間的數字總線是進行通信的一種最佳方式,硬電線將會導致不必要的復雜性或與靈活性相比,其需要更多的I/O端口,”位于阿拉巴馬州伯,明翰 先進機械自動化公司電氣工程師Jason Woyak說,“基于數字總線傳輸的十足數據量優于硬電線。
         
        先進機械自動化公司制造了大量各類機器,包括印刷機、送料機和堆垛機。它還建立了定制機器,范圍從臺面鋸床機器或滅火器灌裝站到貨車車軸粘合機。
         
        某個供應商關于布線開支的意見與Woyak觀點一致,還引用了其他原因走向數字世界。“在有連接設備的系統中,多點數字接口如以太網,比點對點布線方案具有更低的生產成本,” Delta 計算機系統公司 (www.deltamotion.com)的市場部經理Bill Savela說,“數字網絡需要的連接更少,具有更好的可靠性。因為每個電氣接觸點都可能是一個潛在的故障點。當硬件問題確實發生時,相比與那些使用點對點或模擬連接的系統,基于網絡的系統更易于調試和修復。”
         
        運動網絡所解決的維護問題對設備制造商特別重要。位于北卡羅來納州,格林斯博羅的系統集成商,集成運動公司  的工程部副總裁Jim Mullins指出,“走向數字化導致布線的減少,產生更高的MTBF(平均故障間隔),因而有更少的故障點”。
         
        集成運動公司設計的眾多系統使用B&R工業自動化公司的組件。毫不奇怪的是,當數字總線帶來利潤的時候,集成商和供應商都站在同一戰線上。“用數字總線取代機器控制器、運動控制器和驅動器中的硬電線控制電路將大大減少布線,排除潛在的錯誤故障點和增加抗噪聲性能。” B&R公司 自動化技術部負責人Robert Muehlfellner說。
         
        特征比比皆是
         
        當硬電線系統發生故障時,尋找問題的根源可能是一個真正的挑戰。對于許多廠商來說,走向數字化的主要優勢是具有更好的診斷。“隨著我們數字化網絡的發展,在操作臺上的診斷變得很顯著。” 位于俄亥俄州,梭倫的Bardons & Oliver公司 工程部副經理Rick Moscarino宣稱。
         
        Bardons & Oliver公司制造數控車床和旋轉頭切割機(如圖1),也是機器人集成商。Moscarino說:“應用程序狀態,包括發送機負載、速度和警告消息都在很容易地被操作人員掌握,調試更加直觀,為終端用戶和OEM廠商節省了時間和資金。最重要的是,該診斷信息能被集成到控制系統中。”
         
        設置可能是消耗時間的,Moscarino解釋說:“但是我們技術員都經過培訓,由于他們具有一定的經驗,這已經成為了次要問題,在場地發生故障的情況下,重新啟動已經相當簡單,我們通??梢酝ㄟ^電話來支持終端用戶。”
         
         EtherCat技術集團 PE,PMP,北美代表Joey Stubbs對數字運動控制網絡的其他診斷優勢給出詳述。“隨著數字接口的發展,控制系統可以定期監視每個內部寄存器,以顯示溫度、電流、故障代碼、總線電壓、編碼器故障和電線中斷,”Stubbs說,“可以檢查如制造商、固件修訂號和序列號等信息,以確保交換組件與合適的替代品交換。”
         
        另一個供應商認為: “隨著數字化網絡的發展,驅動配置和維護可以通過主要控制器直接管理,”Rockwell自動化公司Logix運動市場部經理Robert Hirschinger說:“這有助于支持目錄數字配置和減輕驅動固件更新。在控制器級上可以得到大量的驅動診斷和狀態信息。具有大型網絡驅動的OEMs廠商從單個連接點易于監視、維護和配置這些信息。
         
        現代高性能的數字網絡通過板卡傳遞功能。Yaskawa 美國電子運動應用工程部高級經理Bill Faber說,“在應用中,運動總線使控制類型更加靈活,如伺服放大器中關閉所有循環的能力,包括計算、扭轉、速度和位置。一個OEM廠商現在可以使用機器控制器提供軌跡,具有較高的性能。因為當今的伺服放大器提供極高的帶寬,還有先進算法,如自動振動抑制和自適應調整。”
         
        分布式控制
         
        對于許多廠商來說,數字總線優于硬電線的最大優點是它使分布式控制成為可能。分布式控制系統可以使用運動控制器來執行許多局部控制功能,還有機動車速度的閉環控制。用許多運動控制器提供的數字和模擬I/O實現功能。這些先進控制器不僅有I/O,它們還包括局部實時控制的編程功能。
         
        在主要控制器、運動控制器、其他類型遠程控制器和遠程I/O間使用高度數字化網絡進行連接是可能的。分布式控制的強大形式使硬布線降低到最低限度。
         
        盡管用硬電線,而不是用數字網絡來實現分布式控制也是可能的,但實際上,這沒有任何意義。分布式網絡需要在控制器和I/O間不斷地與大量數據通信。通過數字運動總線很容易實現,但用硬電線實現是很困難的。
         
        位于馬薩諸塞州,富蘭克林的Speedline科技公司 ,負責制造印刷電路板組裝的自動化處理機器,包括焊膏打印機、材料飲水機、微波爐和清潔機。
         
        其模具打印機和飲水機通過CANopen總線協議實現分布式控制。每個機器至少有15個運動軸和50個I/O口。I/O口主要是數字化的,與幾個模擬點混合。一臺電腦提供監督控制,在每個軸上有一個智能運動控制器。約15個左右CANopen使能運動控制器處理局部運動控制和I/O接口。如果需要,向運動控制器提供額外的CANopen總線I/O模塊。
         
        “智能控制器允許我們以局部程度對實時集中任務進行控制,以減輕主機電腦上的負擔。”Speedline公司主電氣工程師John Klauser解釋說。
         
        數字化網絡的分布式控制通常需要對來自不同廠商的運動控制器進行混合和匹配,以最大限度地提高性能。美國國家儀器 DAQ/視覺/運動產品部經理Christian Fritz指出:“常規標準允許客戶對每個任務選擇最佳機動控制器,隨著數字化網絡的分布式控制發展,驅動器不僅需要交換相關控制數據,而且需要傳輸狀態信息和設置參數。只需改變配置,客戶就可以改變連接到控制器的電機類型,例如從感應到永磁伺服電機。”
         
        數字化網絡的分布式控制可以對許多運動部件的機器提供特殊優勢,如機器人。在這些情況下,數字化網絡導致的布線降低意味著設計師只需要運行單排線,而不是大量硬電線。
         
        ABB機器人公司制造焊接和其他機器人,其中許多機器人使用數字化網絡分布式控制(如圖2)。 ABB機器人公司 產品部經理Per Carlsson指出:“隨著數字通信的發展,我們可以將驅動組件分布在遠離主控制器的位置,如在機器人內部或機器人手臂上。”
         
        好東西來之不易
         
        當涉及到原始速度時,沒有什么能與硬電線相比,因此從硬電線到數字的改變需要特別注意速度要求。位于俄亥俄州,梅森的 Intelligrated公司控制和軟件開發部經理Jeffrey Hanna說: “我們的主要挑戰是設計總線以保持其在所要求的更新速率上。”
         
        集成供應商提供倉儲、分配、郵政、包裹和生產環境的材料處理解決方案。它生產傳輸、定寸、堆積和排序的機械設備。其系統通常涵蓋非常大的地區,使數字化網絡設計尤其具有挑戰性。
         
        公司的運動系統使用至少80個伺服電機和變頻驅動器,所有這些設備都通過Profibus總線連接。“盡管我們的要求不包含多軸協調運動,但他們需要非常嚴格的速度控制,我們經常需要多個網絡來實現,”Hanna繼續說,“根據需求,我們設計具有1毫秒,2毫秒或5毫秒更新速率的網絡。Profibus-DP有固定的信息格式,基于網絡速度、節點數量和數據容量的更新速率是可預測的和確定性的。我們以1.5到12Mbps速度運行網絡。電纜長度可能與銅材料有關,因此從控制器到網絡的第一個節點,我們使用光纖以滿足速度要求。”

         
        為了減少抖動,分布式設備有自己的高速率系統時鐘,其與控制時鐘同步。Evans繼續說:“當設置輸入時,分布式設備捕獲時間戳。然后該設備在同步數字現場總線上發送該時間戳,控制器推算事件發生時的時間位置。這使得抖動達到少于1毫米的精度。這也允許控制器推算出事件發生時多軸所在的位置,不只是一個軸。”


         
        如果只有一個數字網絡并且如果所有控制組件與該網絡連接,那么集成將變得很容易,但是情況并非如此。“因為網絡實現可以改變,所以設備互操作性通常是一個與運動總線相關的問題,”   Kollmorgen 產品生產線經理Josh Jensen 指出,“不同的網絡具有不同程度的功能驗證和設備互操作性測試。這可能會導致延遲并產生費用,但假設堅持相同的規格選擇兩個設備時,區別可能并不明顯。”為了解決該問題,Jensen說Kollmorgen公司保持SynqNet互操作實驗室,繼續對所有設備的組合進行測試。
         
        數字化可以做到這一切嗎?
         
        從理論上來說,一個具有良好設計的數字網絡不需要任何輔助硬電線,但實際上情況并非總是如此。“大多數驅動器讓使能輸入端采用硬電線,因此即使總線通信中斷,驅動器可能被關閉。”先進機械自動化公司的WoyaK指出。
         
        盡管實現獨立的數字安全總線是可能的,但在所有應用中,這并沒有任何意義。“盡管許多廠商提供了安全數字總線,一些用戶還是喜歡硬電線安全電路,因為不需要編程,或許還因為較低的硬件成本,”集成運動公司的Mullins指出,“使用安全數字總線的優點對大系統來說是很顯著的,安全運動功能在系統中由應用程序來滿足。”
         
        添加安全功能到運動總線通常是成本和性能的問題,而不是技術可行性問題。CAN 自動化公司管理部負責人Holger Zeltwanger說:“在CANopen和許多其他運動總線上,如果有足夠的帶寬,您可以將安全相關信息與非安全相關信息混合。借助于兩個網段,某些系統設計師可能更傾向于獨立的安全和非安全消息,其通過網關或路由器互連接。”
         
        隨著數字化運動控制網絡變得越來越普及,他們最終將納入整個控制系統中,廢除幾乎所有硬電線。B&R公司的Muehlfellner預言:“驅動器中的集成安全功能將刪除對硬電線驅動使能信號的需要。這些驅動器也將提供額外的安全功能,如安全停滯——是電機能在動力下保持的一種狀態,而機器是電子停止、安全停止、安全速度和更多的停止狀態。典型的驅動器I/O和限位開關,還有主編碼器,和家里一樣,也將被遠程聯網。”
         
        為了說得更直觀點,使用大家都明白的比喻,我們借用了設備制造商的一句話。“安全功能的完全網絡控制正在逐漸出現,” Speedline's Klauser相信,“如果自動汽車可以通過網絡駕馭和剎車,安全性可以通過類似方法在機器上實現。”
         
        位于蘇塞克斯,威斯康星州的Quad Graphics 是一家商業印刷機公司。該公司的圖形再制造和技術(GR/T)部門所提供自動化和其他技術,領先于現有的印刷技術和定制膠印印刷機。無論是其印刷部門還是精整部門,Quad公司已對現有的18多個印刷機進行了重新制造,還有配套設備。
         
        對于運動控制,GR/T部門廣泛使用數字總線通信。GR/T部門的項目技術支持員Dave Leitinger 說:“我們的舊印刷機使用基于繼電器和硬電線連接的模擬控制平臺,處理器和通信速度緩慢,且不是實時性的。速度、模塊化和傳輸的數據量是當今市場的關鍵因素。隨著Profibus 和 Profinet的發展,我們已經能夠將先進的數字技術帶到再制造印刷行業。這使得我們能夠廢除舊線軸和慢速的HMIs,將IT世界帶到工廠車間?,F在我們有能力模塊化輔助印刷設備, 并把具有開關翻轉功能的設備帶到生產線上。”
         
        Leitinger 說,數字總線已經為具有更多的帶寬、更高的可擴展性、TCP/IP互聯網兼容性、安全集成和實時確定性的系統控制,打開了通信體系架構。
         
        目前的一個項目是對現有的印刷機重新制造,分為兩個獨立的印刷生產線,每個生產線能夠獨立在線完成生產。“我們必須使用一個翻轉開關來關閉兩個生產線中的其中一個,將兩個印刷生產線變為單個生產線,” Leitinger指出,“這需要100多個Profibus總線,14個Profinet點,90個運動控制軸和28個HMIs。”所有這些組件同時必須提供安全性集成和實時響應。
         
        Leitinger說:“通過高速數字網絡實現該控制系統,降低了安裝和硬件成本,Profinet能以250微秒的周期實時性地滿足高速率要求,幾乎沒有延遲變化。除了新組件以外,新型控制系統需要更少的控制柜地面空間和開放拓撲設施?,F在我們有了遠程訪問診斷工具,還有生產所需要的數據捕獲。”
         
        新型控制系統廢除了硬電線的安全控制?,F在安全站、警衛和機動控制對西門子Simatic故障安全PLCs和具有安全扭轉切斷功能的Simatic驅動器是有線冗余和局部性的。
         
        “Pofisafe的Profinet使我們在現場總線上批準安全信號,同時遵守所有安全性協議和標準,” Leitinger總結說,“這給予我們在現場總線上批準安全相關信息的優勢,同時節省了額外和昂貴的布線費用。”
         
        如何測量吞吐量
         
        在運動控制系統中,從硬電線到數字網絡轉換的一個主要挑戰是能夠保持足夠的速度。原始規格只講述了故事的一部分
         
        數字網絡標準組織 ODVA 公司的執行董事Katherine Voss說:“網絡性能對分布式運動控制網絡的成功實現至關重要。然而,人們經常錯誤使用線速作為性能的主要指標,而實際上對有效網絡,比原始數據速度有一個因素更加重要。
         
        ODVA公司認為總的系統帶寬和總的協議效用至少與比特率同樣重要,據說吞吐量是帶寬最有效的措施,其也是衡量網絡系統整體性能的最佳方式。對吞吐量合理有效的定義指基于邏輯決策,從一個事件變化的檢測(輸入)到驅動(輸出)的時間。
         
        因此,ODVA說,吞吐量是幾個因素的結合,包括了協議效率(總數據包大小的數據比率),網絡模型(信息流動模式/數字和消息頻率),波特率(基于電線的原始比特速度)和節點處理時間。
         
        Voss說:“對于分布式控制架構,分布式運動控制系統是最嚴格的實例之一,通常需要大量的配置、局部化情報和復雜的算法以達到預期的機器性能。”
         
        某些網絡如以太網/IP,其支持如I/O消息服務以配置軸和文件傳輸協議,與控制協議使用相同的電線。單點連接和內置消息優先權允許這種架構提供給機械設計師分布系統,易于維護。
         
        Voss說:“控制網絡的最大挑戰是添加或刪除工作單元以作功能變化,當工作單元的組合改變時,某些網絡需要大量的編程修改或信息重新布局。數據流可以改變,引起中斷錯誤和破壞網絡效率。然而,面向對象模型和邏輯處理,如以太網/IP使用的通用工業協議(CIP)允許工作單元的添加或刪除,不需要其他網絡節點的重新配置或通信路徑。”
         
        作者信息:
        Dan Hebert
        PE高級技術編輯  
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