Niezależna współpraca elektronicznego zadajnika impulsowego - Regeneracja wrzecion i elektrowrzecion, sprzedaż maszyn CNC, obrabiarki, maszyny, naprawa elektrowrzeciona, serwis

Systemy napędowe dla układów pozycjonowania Beckhoff - automatyka przemysłowa

Systemy napędowe dla układów pozycjonowania Beckhoff - automatyka przemysłowa

Systemy napędowe dla układów pozycjonowania o wysokiej dynamice

W przeszłości sterowniki ruchu miały jeden cel: kontrolować ruch maszyny. I w przypadku, gdy zostały dobrze oprogramowane, pełniły swą rolę bardzo dobrze. Inna jest nowoczesna automatyka przemysłowa.

Cechą charakterystyczną był, odmienny dla każdego producenta, sposób programowania. Mało przyjazne języki programowania bardzo szybko mogły zniechęcić większość użytkowników, zwłaszcza gdy w ramach projektu należało oprogramować i skonfigurować wiele urządzeń, dostarczonych od różnych producentów. Dostawcy sterowników ruchu zaczęli więc modyfikować swoje oprogramowanie, czyniąc je bardziej przyjaznym dla użytkownika. Nowsze generacje sterowników umożliwiały monitorowanie coraz większych ilości parametrów i coraz lepszą diagnostykę układu. Rosnąca ilość funkcji i wielość rozwiązań jednak tylko coraz bardziej komplikowały sposób integracji z nadrzędnymi systemami sterowania.

Z czasem wyłoniły się dwie, w pewnym sensie skrajne, koncepcje realizacji złożonych algorytmów sterowania ruchem:

  • jedna zakładała wbudowanie w sterownik ruchu małego PLC; wyposażonego w port komunikacji szeregowej, realizującego lokalnie cały algorytm sterowania napędem;
  • druga zakładała uproszczenie dedykowanego sterownika ruchu do roli wzmacniacza i przeniesienie całego sterowania do sterownika nadrzędnego (PLC lub PC), kontrolującego pracę całej maszyny.

Obecnie coraz więcej języków programowania sterowników ruchu staje się zgodna z normą IEC 61131-3, obowiązującą dla sterowników PLC. Niektórzy producenci wręcz integrują sterowanie ruchem ze sterowaniem maszyną w ramach tego samego programu. Całą sprawę ułatwia standaryzacja funkcji, bloków funkcyjnych i bibliotek związanych ze sterowaniem ruchem. Nad porządkiem czuwa specjalna organizacja PLCopen, która w 2002 roku wydała pierwszą spójną specyfikację bibliotek do sterowania ruchem (Motion Control). W ramach PLCopen skupionych jest wiele firm z branży automatyki. Czynny udział w pracach organizacji bierze również firma BECKHOFF.

Technologia napędów firmy BECKHOFF

BECKHOFF dysponuje kompletną ofertą w zakresie techniki sterowania ruchem, od komputerów przemysłowych poczynając, poprzez „soft PLC/NC” i system rozproszonych wejść/wyjść, na serwonapędach kończąc. Komputery w wykonaniu przemysłowym z zainstalowanym systemem czasu rzeczywistego i oprogramowaniem TwinCAT PLC/NC są idealnym rozwiązaniem w jedno/wieloosiowych systemach pozycjonowania i wysokiej dynamice układu. Ekstremalnie szybkie komputery, bogate biblioteki do sterowań numerycznych, szybkie protokoły przesyłu danych – wszystko to umożliwia realizację dowolnie złożonych algorytmów sterowania napędami.

Pełna oferta w zakresie techniki napędów składa się z:

  • serwo-silników rotacyjnych AM2000/AM3000 i liniowych AL2000;
  • serwo-wzmacniaczy/sterowników AX2000 i AX2500;
  • serwo-sterownika do układów hydrauliki AH2000;
  • kart komunikacyjnych (Sercos, Lightbus, Profibus DP/MC, CanOpen, elektronis);
  • pakietu oprogramowania TwinCAT PLC/NC/NCI/CNC (z jądrem czasu rzeczywistego);
  • sterowników PLC i komputerów przemysłowych.

 

Silniki typu AM2000 są trójfazowymi silnikami synchronicznymi z magnesami trwałymi, zgodnymi z normą DIN42950. Dostępne są wersje w zakresie znamionowych momentów obciążeń od 0,1Nm/6000 obr./min. do 115Nm/2000 obr./min. Wyposażone w czujnik temperatury uzwojeń PTC i resolwer. Jako opcje przewidziano hamulec mechaniczny i enkoder (absolutny jedno-/wieloobrotowy).

Nowa seria oznaczona jako AM3000 zastąpi z powodzeniem sprawdzoną na przestrzeni kilku lat rodzinę AM2000. Zupełnie zmieniona konstrukcja silników pozwoliła na uzyskanie od 25-35% większego momentu w stosunku do analogicznych rozwiązań dotychczas dostępnych. Efekt: silniki serii AM3000 są zdecydowanie krótsze od swoich poprzedników. Nowa konstrukcja odznacza się dodatkowo szeregiem zalet takich jak: wysoka zdolność odprowadzania ciepła dzięki wykonaniu obudowy z monoelementu, zmodyfikowany system łożyskowania wałka zapobiegający luzom wzdłużnym, zastosowanie obrotowych złącz pozwalających na swobodne ułożenie kabli silnikowych stosownie do dostępnej na obiekcie przestrzeni.

Gama oferowanych silników obejmuje zakres momentów znamionowych 0.18 – 53 Nm oraz kilka zakresów znamionowych prędkości obrotowych, co pozwala na optymalny dobór odpowiednich dla danej aplikacji parametrów pracy napędu.

Silniki liniowe AL2000 dysponują znacznie wyższymi parametrami dynamicznymi: przyspieszenie do 30g, prędkość liniowa do 10m/s. Typoszereg składa się z 6-ciu typów, o chwilowych siłach ciągu od 200N do 2000N.

Serwo-sterowniki AX2000 są niezależnymi jednostkami (jedna oś), o prądach wyjściowych od 3 do 75A. Posiadają wbudowany filtr EMC i rezystor balastowy małej mocy. AX2500 są układami wieloosiowymi (do 8 osi), zasilanymi z jednego modułu bazowego. Stopnie wyjściowe dysponują prądami 3A lub 6A. Wszystkie serwo-sterowniki można skonfigurować za pomocą jednego programu. AX2000 i AX2500 są układami cyfrowymi, z możliwością sterowania analogowego (czyli z poziomu listwy zaciskowej, poprzez wejścia/wyjścia analogowe i cyfrowe). Mogą pracować jako autonomiczne sterowniki ruchu, realizując proste zadania. Jednak pełnię ich możliwości można wykorzystać dopiero przy sterowaniu cyfrowym. Podłączenie do nadrzędnego sterownika odbywa się za pośrednictwem jednego z 4-ch protokołów i pozwala na przejęcie pełnej kontroli nad AX. 32-bitowy mikrokontroler daje czasy próbkowania 62,5us i umożliwia zamknięcie wewnętrznej pętli pozycjonowania w czasie 250us.

Uzupełnieniem rozwiązań oferowanych dla osi elektrycznych jest kompletny sterownik osi hydraulicznych. AH2000 umożliwia podłączenie czujnika położenia, zaworu proporcjonalnego, czujnika ciśnienia (opcja) oraz wejść/wyjść cyfrowych. Dostępne są wersje sterownika dla 1 lub 3 niezależnie sterowanych osi hydraulicznych. Obudowa ma stopień IP65, chłodzenie konwekcyjne (brak wentylatora). Sterownik można podłączyć do nadrzędnego układu sterowania przez sieć ProfibusDP. Wbudowany procesor Pentium I 266MHz zapewnia realizację najbardziej wymagających zadań. Bardzo krótki czas pętli pozycjonowania (250us) pozwala na osiąganie dokładności położenia układów hydrauliki na poziomie kilku um.

Jednak fundamentalnym elementem w technologii sterowania ruchem (,,Motion Control”) firmy Beckhoff jest system czasu rzeczywistego i oprogramowanie typu ,,Soft PLC/CNC”. Beckhoff przyjął koncepcję integracji algorytmu sterowania napędami i innymi urządzeniami wchodzącymi w skład maszyny, czy też linii produkcyjnej, na bazie nadrzędnego sterownika i jednego środowiska programistycznego TwinCAT. Realizacja ,,Soft PLC” na bazie systemu czasu rzeczywistego i bardzo wydajnych procesorów Pentium IV 2,8GHz umożliwia uzyskanie pętli programu na poziomie 50us (nawet 35us). W tym czasie sterownik ,,Soft PLC” jest w stanie wykonać ponad 10.000 tysięcy instrukcji mieszanych na zmiennych typu bool, integer 16, integer 32, real 32, redl 64 lub w czasie np. 250 us wysterować co najmniej 5 osi (np. 5 serwo-napędów). Wysoką funkcjonalność TwinCAT zawdzięcza dużej liczbie specjalizowanych bibliotek, takich jak: edytor krzywek, osie FIFO, latająca piła (pływająca gilotyna), linearyzacja charakterystyki zaworów hydraulicznych itp. Jedną z ostatnio wprowadzonych bibliotek jest biblioteka typu ,,Motion Control” dedykowana właśnie dla układów hydrauliki o bardzo wysokiej dynamice.

Rozwiązania przyszłości

W układach sterowania wymagających ekstremalnie krótkich czasów reakcji najsłabszym ogniwem stają się obecnie relatywnie wolne przemysłowe protokoły przesyłu danych. Ta sytuacja ulegnie wkrótce zmianie za sprawą nowego protokołu firmy BECKHOFF pod nazwą EtherCAT. Protokół ten jest odmianą Ethernetu 100Mbit pracującą w czasie rzeczywistym.

Zalety nowego rozwiązania są niepodważalne:

  • przesył 256 zmiennych bitowych w 12us
  • przesył 1000 zmiennych bitowych w 30us
  • przesył 12000 zmiennych bitowych w 350us
  • przesył 200 zmiennych analogowych (16 bitów, 20kHz) w 50us
  • obsługa 100 osi serwo w 100us.

Tym samym EtherCAT będzie zaliczał się do grupy najszybszych protokołów przemysłowych na świecie, ustępujących jedynie magistralom VME.
Mając do zaoferowania użytkownikom sterowniki o ogromnych mocach obliczeniowych, bardzo szybkie protokoły przesyłu danych oraz napędy o wysokiej dynamice, Beckhoff zalicza się do czołowych dostawców systemów sterowania ruchem. Potwierdza to raport ARC Advisory Group, według której Beckhoff ma około 15% udziału w światowym rynku układów sterowania opartych o nowatorskie rozwiązania typu ,,Soft PLC”.