Что OEM-производители и инженеры-конструкторы должны знать о двигателях, приводах и контроллерах.

Независимо от того, совершенствуют ли дизайнеры машину, ориентированную на движение, или создают новую, важно, чтобы они начали с управления движением. Затем они смогут разработать проект, исходя из наилучшего способа обеспечения эффективной и действенной автоматизации.

Машины, основанные на движении, должны быть спроектированы и построены с учетом их основных функций. Например, для печатной машины, которая использует определенный набор приложений для намотки, дизайнеры должны сосредоточиться на критических частях и разработать остальную часть машины для поддержки основных функций.

Это похоже на «Проектирование 101», но из-за ограничений по времени выхода на рынок и команд, традиционно разделенных на механические, электрические и программные отделы, проектирование легко возвращается к в значительной степени линейному процессу. Однако проектирование с учетом управления движением требует мехатронного подхода, который включает в себя разработку исходных концепций, определение топологии системы и машинного подхода, а также выбор интерфейса подключения и архитектуры программного обеспечения.

Вот некоторые важные аспекты двигателей, приводов, контроллеров и программного обеспечения, которые инженеры должны учитывать с самого начала каждого проекта проектирования машины, чтобы снизить неэффективность, ошибки и затраты, а также дать возможность OEM-производителям решать проблемы клиентов за меньшее время.

【Процесс проектирования】

Как и куда движутся детали, инженеры обычно тратят большую часть своих инженерных усилий, особенно при разработке инновационных машин. Хотя инновационные сборки занимают больше всего времени, они часто обеспечивают максимальную рентабельность инвестиций, особенно если команды используют новейшие достижения в области виртуального проектирования и модульных конструкций.

Первый шаг при разработке машины с нуля — задаться вопросом: каковы критические функции этой машины? Это может быть создание машины, которую легко чистить, которая требует минимального обслуживания или отличается высокой точностью. Определите технологию, которая обеспечит требуемую функцию, производительность или уровень обслуживания.

Чем сложнее проблема, которую необходимо решить, тем сложнее будет определить наиболее жизненно важные функции. Рассмотрите возможность сотрудничества с поставщиком средств автоматизации, ориентированным на движение, который поможет определить важные детали и определить правильный подход.

Затем спросите: Каковы стандартные функции машины? Если вернуться к предыдущему примеру с печатной машиной, то натяжение и сенсорное управление, используемые для разматывания печатаемого материала, довольно стандартны. Фактически, около 80% задач новой машины представляют собой вариации задач предыдущих машин.

Использование модульного оборудования и программного кода для удовлетворения инженерных требований к стандартным функциям значительно сокращает количество проектных ресурсов, необходимых для завершения проекта. Он также использует проверенные временем функции, что повышает надежность и позволяет вам сосредоточиться на более сложных частях конструкции.

Сотрудничество с партнером по управлению движением, который может предоставлять стандартные функции с помощью модульного аппаратного и программного обеспечения, означает, что вы можете сосредоточиться на дополнительных функциях, которые отличают ваш продукт от продуктов конкурентов.

В типовом проектном проекте инженеры-механики строят конструкцию машины и ее механические компоненты; инженеры-электрики добавляют электронику, включая приводы, провода и элементы управления; а затем инженеры-программисты пишут код. Каждый раз, когда возникает ошибка или проблема, команде проекта приходится возвращаться и исправлять ее. Очень много времени и энергии в процессе проектирования тратится на переделку дизайна с учетом изменений или ошибок. К счастью, проектирование механики с помощью программного обеспечения САПР, а также разрозненное планирование и проектирование остались в прошлом.

Сегодня виртуальное проектирование позволяет командам проектировать, как машины будут работать, используя несколько параллельных путей, что значительно сокращает цикл разработки и время вывода на рынок. Создав цифрового двойника (виртуальное представление машины), каждый отдел может работать самостоятельно и разрабатывать детали и элементы управления одновременно с остальной командой.

Цифровой двойник позволяет инженерам быстро тестировать различные конструкции машины, а также ваши машинные технологии. Например, возможно, процесс требует подачи материала в механизм подачи до тех пор, пока не будет собрано желаемое количество, а затем материал разрезается; это означает, что вы должны найти способ остановить подачу всякий раз, когда материал необходимо разрезать. Существует несколько способов решения этой проблемы, и все они могут повлиять на работу всей машины. Пробовать различные решения или перемещать компоненты, чтобы увидеть, как это повлияет на работу, с помощью цифрового двойника легко и приводит к более эффективному (и менее) прототипированию.

Виртуальное проектирование позволяет всем группам разработчиков увидеть, как вся машина и ее пересекающиеся концепции работают вместе для достижения определенной цели или задач.

【Выбор топологии】

Сложные конструкции с несколькими функциями, более чем одной осью движения и многомерным движением, а также более высокая производительность и производительность делают топологию системы столь же сложной. Выбор между централизованной автоматизацией на базе контроллера или децентрализованной автоматизацией на базе привода зависит от проектируемой машины. То, что делает машина, как общие, так и локальные функции, влияет на то, выберете ли вы централизованную или децентрализованную топологию. На это решение также влияют пространство шкафа, размер машины, условия окружающей среды и даже время установки.

Централизованная автоматизация. Лучший способ обеспечить скоординированное управление движением сложных машин — это автоматизация на базе контроллера. Команды управления движением обычно передаются конкретным сервоинверторам через стандартизированную шину реального времени, такую ​​как EtherCAT, и инверторы управляют всеми двигателями.

Благодаря автоматизации на базе контроллера можно координировать несколько осей движения для выполнения сложной задачи. Это идеальная топология, если в основе машины лежит движение и все части должны быть синхронизированы. Например, если для правильного позиционирования руки робота крайне важно, чтобы каждая ось движения находилась в определенном месте, вы, скорее всего, выберете автоматизацию на основе контроллера.

Децентрализованная автоматизация. Благодаря более компактным машинам и модулям машин децентрализованное управление движением снижает или устраняет нагрузку на органы управления машиной. Вместо этого инверторные приводы меньшего размера берут на себя обязанности децентрализованного управления, система ввода-вывода оценивает управляющие сигналы, а коммуникационная шина, такая как EtherCAT, образует сквозную сеть.

Децентрализованная автоматизация идеальна, когда одна часть машины может взять на себя ответственность за выполнение задачи и ей не нужно постоянно отчитываться перед центральным управлением. Вместо этого каждая часть машины работает быстро и независимо, сообщая об этом только после завершения своей задачи. Поскольку в такой конфигурации каждое устройство обрабатывает свою собственную нагрузку, вся машина может использовать преимущества более распределенной вычислительной мощности.

Централизованное и децентрализованное управление. Хотя централизованная автоматизация обеспечивает координацию, а децентрализованная — более эффективную распределенную вычислительную мощность, иногда лучшим выбором является сочетание того и другого. Окончательное решение зависит от общих требований, включая цели, связанные с: стоимость/ценность, пропускная способность, эффективность, надежность с течением времени, характеристики безопасности.

Чем сложнее проект, тем важнее иметь партнера по разработке систем управления движением, который может дать совет по различным аспектам. Когда производитель оборудования предлагает свое видение, а партнер по автоматизации — инструменты, тогда вы получаете лучшее решение.

【Машинная сеть】

Создание чистой, перспективной взаимосвязи также является ключевым шагом в проектировании с учетом управления движением. Протокол связи так же важен, как и расположение двигателей и приводов, поскольку речь идет не только о том, что делают компоненты, но и о том, как вы все это подключаете.

Хорошая конструкция уменьшает количество проводов и расстояние, которое они должны пройти. Например, набор из 10–15 проводов, идущих к удаленному терминалу, можно заменить кабелем Ethernet, использующим такой промышленный протокол связи, как EtherCAT. Ethernet — не единственный выбор, но какой бы из них вы ни использовали, убедитесь, что у вас есть подходящие средства связи или шины, чтобы вы могли использовать общие протоколы. Выбор хорошей коммуникационной шины и наличие плана того, как все будет расположено, значительно облегчит будущие расширения.

С самого начала сосредоточьтесь на создании хорошего дизайна внутри шкафа. Например, не размещайте источники питания рядом с электронными компонентами, на которые могут влиять магнитные помехи. Компоненты с высокими токами или частотами могут создавать электрические помехи в проводах. Поэтому для обеспечения наилучшей работы держите высоковольтные компоненты подальше от низковольтных компонентов. Кроме того, узнайте, соответствует ли ваша сеть рейтингу безопасности. В противном случае вам, вероятно, потребуются резервные проводные соединения безопасности, чтобы в случае выхода из строя одной части она обнаруживала свою собственную неисправность и реагировала.

По мере распространения промышленного Интернета вещей (IIoT) рассмотрите возможность добавления расширенных функций, к использованию которых вы или ваши клиенты могут быть не совсем готовы. Встраивание возможностей в машину означает, что впоследствии ее будет легче модернизировать.

【Программное обеспечение】

По отраслевым оценкам, вскоре OEM-производителям придется тратить 50-60% времени на разработку машин, уделяя внимание требованиям к программному обеспечению. Эволюция от акцента на механике к акценту на интерфейсе ставит мелких производителей машин в невыгодное положение с точки зрения конкуренции, но также может уравнять правила игры для компаний, желающих внедрить модульное программное обеспечение и стандартизированные открытые протоколы.

То, как организовано программное обеспечение, может расширить или ограничить возможности машины сейчас и в будущем. Подобно модульному оборудованию, модульное программное обеспечение повышает скорость и эффективность машиностроения.

Например, предположим, что вы проектируете машину и хотите добавить дополнительный шаг между двумя этапами. Если вы используете модульное программное обеспечение, вы можете просто добавить компонент без перепрограммирования или перекодирования. А если у вас есть шесть разделов, которые выполняют одно и то же, вы можете написать код один раз и использовать его во всех шести разделах.

Модульное программное обеспечение не только повышает эффективность проектирования, но и позволяет инженерам обеспечить гибкость, которую так жаждут клиенты. Например, предположим, что клиент хочет машину, на которой можно работать с продуктами разных размеров, а самый большой размер требует изменения в работе одной секции. Благодаря модульному программному обеспечению проектировщики могут просто заменить секцию, не затрагивая остальные функции машины. Это изменение можно автоматизировать, чтобы позволить OEM-производителю или даже клиенту быстро переключаться между функциями машины. Перепрограммировать нечего, поскольку модуль уже установлен в машине.

Производители машин могут предложить стандартную базовую машину с дополнительными функциями, отвечающими уникальным требованиям каждого клиента. Разработка портфеля механических, электрических и программных модулей упрощает быструю сборку конфигурируемых машин.

Однако, чтобы получить максимальную эффективность от модульного программного обеспечения, важно следовать отраслевым стандартам, особенно если вы используете более одного поставщика. Если поставщик привода и датчиков не соблюдает отраслевые стандарты, эти компоненты не могут взаимодействовать друг с другом, и вся эффективность модульности теряется при выяснении того, как соединить детали.

Кроме того, если ваш клиент планирует подключить поток данных к облачной сети, важно, чтобы любое программное обеспечение создавалось с использованием стандартных отраслевых протоколов, чтобы машина могла работать с другими машинами и взаимодействовать с облачными сервисами.

OPC UA и MQTT — наиболее распространенные стандартные программные архитектуры. OPC UA обеспечивает связь между машинами, контроллерами, облаком и другими ИТ-устройствами практически в реальном времени и, вероятно, является наиболее близким к целостной коммуникационной инфраструктуре, которую вы можете получить. MQTT — это более легкий протокол обмена сообщениями IIoT, который позволяет двум приложениям взаимодействовать друг с другом. Он часто используется в одном продукте, позволяя, например, датчику или приводу извлекать информацию из продукта и отправлять ее в облако.

【Подключение к облаку】

Взаимосвязанные машины с замкнутым контуром по-прежнему составляют большинство, но популярность заводов, полностью подключенных к облаку, растет. Эта тенденция может повысить уровень профилактического обслуживания и производства, управляемого данными, и является следующим крупным изменением в заводском программном обеспечении; все начинается с удаленного подключения.

Заводы, подключенные к облачной сети, анализируют данные различных процессов, разных производственных линий и т. д., чтобы создать более полное представление производственного процесса. Это позволяет им сравнивать общую эффективность оборудования (OEE) различных производственных объектов. Передовые OEM-производители сотрудничают с надежными партнерами по автоматизации, предлагая готовые к использованию в облаке машины с модульными возможностями Индустрии 4.0, которые могут отправлять данные, необходимые конечным пользователям.

Для машиностроителей использование автоматизации управления движением и целостный комплексный подход к повышению эффективности заводов или компаний клиентов обязательно принесут больший доход.