Что необходимо знать производителям оригинального оборудования и инженерам-конструкторам о двигателях, приводах и контроллерах.

Независимо от того, совершенствуют ли проектировщики машину, ориентированную на движение, или строят новую, важно, чтобы они начинали с контроля движения. Затем они могут разработать проект вокруг наилучшего способа получить эффективную и действенную автоматизацию.

Машины на основе движения должны проектироваться и строиться вокруг своих основных функций. Например, для печатной машины, которая полагается на определенный набор приложений намотки, проектировщики сосредоточатся на критических деталях и разработают остальную часть машины для поддержки основных функций.

Это звучит как азы проектирования, но с учетом давления времени выхода на рынок и традиционного разделения команд на механические, электрические и программные отделы, проектирование легко возвращается к в значительной степени линейному процессу. Однако проектирование с учетом управления движением требует подхода мехатроники, который включает разработку исходных концепций, определение топологии системы и машинного подхода, а также выбор интерфейса подключения и архитектуры программного обеспечения.

Ниже приведены некоторые важные аспекты двигателей, приводов, контроллеров и программного обеспечения, которые инженеры должны учитывать с самого начала каждого проекта по проектированию машины, чтобы снизить неэффективность, количество ошибок и затраты, а также дать возможность OEM-производителям решать проблемы клиентов в кратчайшие сроки.

【Процесс проектирования】

Как и куда перемещаются детали, инженеры обычно тратят большую часть своих инженерных усилий, особенно при разработке инновационных машин. Хотя инновационные сборки, безусловно, являются наиболее трудоемкими, они часто предлагают самую большую окупаемость инвестиций, особенно если команды используют новейшие разработки в области виртуального инжиниринга и модульных конструкций.

Первый шаг при разработке машины с нуля — спросить: Каковы критические функции этой машины? Это может быть создание машины, которая легко чистится, 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 важные функции. Рассмотрите возможность работы с поставщиком ориентированной на движение автоматизации, который может помочь определить критические детали и определить правильный подход.

Затем спросите: Каковы стандартные функции машины? Возвращаясь к примеру с более ранней печатной машиной, натяжение и сенсорные элементы управления, используемые для разматывания материала, на котором выполняется печать, довольно стандартны. Фактически, около 80% задач новой машины являются вариациями задач старых машин.

Использование модульного оборудования и программирования кода для обработки инженерных требований к стандартным функциям значительно сокращает объем ресурсов проектирования, необходимых для завершения проекта. Он также использует проверенные временем функции, тем самым повышая надежность и позволяя вам сосредоточиться на более сложных частях дизайна.

Сотрудничество с партнером по управлению движением, который может предоставить стандартные функции с модульным оборудованием и программным обеспечением, означает, что вы можете сосредоточиться на дополнительных функциях, которые отличают ваш продукт от продуктов конкурентов.

В типичном проекте по проектированию инженеры-механики создают структуру 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, проектной группе приходится возвращаться и исправлять ее. Так много времени и энергии в процессе проектирования тратится на переделку проекта на основе изменений или ошибок. К счастью, проектирование механики с помощью программного обеспечения САПР и разрозненное планирование и проектирование почти ушли в прошлое.

Сегодня виртуальное проектирование позволяет командам проектировать, как будут работать машины, используя несколько параллельных путей, тем самым значительно сокращая цикл разработки и время выхода на рынок. Создавая цифрового двойника (виртуальное представление машины), каждый отдел может работать самостоятельно и разрабатывать детали и элементы управления одновременно с остальной частью команды.

Цифровой двойник позволяет инженерам быстро тестировать различные конструкции машины, а также ваши технологии машины. Например, возможно, процесс требует подачи материала в машину до тех пор, пока не будет собрано необходимое количество, а затем материал разрезается; это означает, что вы должны найти способ остановить подачу, когда материал нужно разрезать. Существует несколько способов решения этой проблемы, и все они могут повлиять на работу всей машины. Пробовать разные средства или перемещать компоненты, чтобы увидеть, как это влияет на операции, просто с цифровым двойником, и это приводит к более эффективному (и меньшему) прототипированию.

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

【Выбор топологии】

Сложные конструкции с несколькими функциями, более чем одной осью движения и многомерным движением, а также более быстрый выход и пропускная способность делают топологию системы такой же сложной. Выбор между централизованной автоматизацией на основе контроллера или децентрализованной автоматизацией на основе привода зависит от проектируемой машины. То, что делает машина, как ее общие, так и локальные функции, влияет на то, выбираете ли вы централизованную или децентрализованную топологию. Пространство шкафа, размер машины, условия окружающей среды и даже время установки также влияют на это решение.

Централизованная автоматизация. Лучший способ получить скоординированное управление движением для сложных машин — автоматизация на основе контроллера. Команды управления движением обычно передаются определенным сервоинверторам через стандартизированную шину реального времени, такую ​​как EtherCAT, а инверторы управляют всеми двигателями.

С помощью автоматизации на основе контроллера можно скоординировать несколько осей движения для выполнения сложной задачи. Это идеальная топология, если движение — это сердце машины, и все части должны быть синхронизированы. Например, если для каждой оси движения критически важно находиться в определенном месте, чтобы правильно позиционировать руку робота, вы, скорее всего, выберете автоматизацию на основе контроллера.

Децентрализованная автоматизация. С более компактными машинами и модулями машин децентрализованное управление движением снижает или устраняет нагрузку на элементы управления машины. Вместо этого меньшие инверторные приводы берут на себя обязанности по децентрализованному управлению, система ввода-вывода оценивает сигналы управления, а коммуникационная шина, такая как EtherCAT, формирует сквозную сеть.

Децентрализованная автоматизация идеальна, когда одна часть машины может взять на себя ответственность за выполнение задачи и не должна постоянно отчитываться перед центральным управлением. Вместо этого каждая часть машины работает быстро и независимо, отчитываясь только после завершения своей задачи. Поскольку каждое устройство обрабатывает свою собственную нагрузку в такой схеме, вся машина может воспользоваться преимуществами более распределенной вычислительной мощности.

Централизованное и децентрализованное управление. Хотя централизованная автоматизация обеспечивает координацию, а децентрализованная обеспечивает более эффективную распределенную вычислительную мощность, иногда наилучшим выбором является сочетание обоих. Окончательное решение зависит от всеобъемлющих требований, включая цели, связанные с: Стоимость/ценность, Пропускная способность, Эффективность, Надежность с течением времени, Характеристики безопасности.

Чем сложнее проект, тем важнее иметь партнера по проектированию управления движением, который может дать совет по различным аспектам. Когда производитель машин приносит видение, а партнер по автоматизации приносит инструменты, вот тогда вы получаете лучшее решение.

【Машинная сеть】

Установление 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 важно не только то, что делают компоненты, но и то, 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 промышленный протокол связи, такой как EtherCAT. Ethernet — не единственный выбор, но какой бы протокол вы ни использовали, убедитесь, что у вас есть правильные инструменты связи или шины, чтобы вы могли использовать общие протоколы. Выбор хорошей шины связи и наличие плана того, как все будет организовано, значительно облегчают будущие расширения.

Сосредоточьтесь на создании хорошей конструкции внутри шкафа с самого начала. Например, не размещайте блоки питания рядом с электронными компонентами, которые могут быть подвержены магнитным помехам. Компонент с высокими токами или частотами может генерировать электрические помехи в проводах. Поэтому держите высоковольтные компоненты подальше от низковольтных для лучшей работы. Кроме того, выясните, имеет ли ваша сеть класс безопасности. Если нет, вам, скорее всего, понадобятся жестко смонтированные резервные соединения безопасности, чтобы в случае отказа одной части она обнаруживала свой собственный отказ и реагировала.

По мере того, как промышленный Интернет вещей (IIoT) набирает силу, рассмотрите возможность добавления расширенных функций, к использованию которых вы или ваши клиенты, возможно, еще не готовы. Встраивание возможностей в машину означает, что впоследствии ее будет легче модернизировать.

【Программное обеспечение】

По оценкам отрасли, не пройдет много времени, прежде чем OEM-производителям придется тратить 50–60 % времени разработки машин на требования к программному обеспечению. Переход от фокуса на механике к фокусу на интерфейсе ставит мелких производителей машин в невыгодное положение, но может также уравнять шансы для компаний, желающих внедрить модульное программное обеспечение и стандартизированные открытые протоколы.

То, как организовано программное обеспечение, может расширить или ограничить возможности машины в настоящем и будущем. Как и модульное оборудование, модульное программное обеспечение повышает скорость и эффективность машиностроения.

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

Модульное программное обеспечение не только делает проектирование более эффективным, но и позволяет инженерам предоставлять гибкость, которую так жаждут клиенты. Например, предположим, что клиент хочет машину, которая работает с продуктами разных размеров, и самый большой размер требует изменения в том, как функционирует одна секция. С модульным программным обеспечением проектировщики могут просто заменить секцию, не затрагивая остальные функции машины. Это изменение может быть автоматизировано, чтобы позволить OEM или даже клиенту быстро переключаться между функциями машины. Перепрограммировать нечего, поскольку модуль уже находится в машине.

Производители машин могут предложить стандартную базовую машину с дополнительными функциями для удовлетворения уникальных требований каждого клиента. Разработка портфолио механических, электрических и программных модулей упрощает быструю сборку конфигурируемых машин.

Однако, чтобы получить максимальную эффективность от модульного программного обеспечения, необходимо следовать отраслевым стандартам, особенно если вы используете более одного поставщика. Если поставщик привода и датчика не следует отраслевым стандартам, то эти компоненты не могут общаться друг с другом, и вся эффективность модульности теряется при выяснении того, как соединить части.

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

OPC UA и MQTT являются наиболее распространенными стандартными архитектурами программного обеспечения. OPC UA обеспечивает связь между машинами, контроллерами, облаком и другими ИТ-устройствами в режиме, близком к реальному времени, и, вероятно, является наиболее близким к целостной инфраструктуре связи, которую вы можете получить. MQTT — это более легкий протокол обмена сообщениями IIoT, который позволяет двум приложениям общаться друг с другом. Он часто используется в одном продукте, позволяя, например, датчику или диску извлекать информацию из продукта и отправлять ее в облако.

【Подключение к облаку】

Взаимосвязанные машины замкнутого цикла по-прежнему составляют большинство, но заводы, полностью подключенные к облаку, становятся все популярнее. Эта тенденция может повысить уровень предиктивного обслуживания и производства на основе данных и является следующим крупным изменением в заводском программном обеспечении; оно начинается с удаленного подключения.

Облачные сетевые заводы анализируют данные из разных процессов, разных производственных линий и т. д. для создания более полных представлений о производственном процессе. Это позволяет им сравнивать общую эффективность оборудования (OEE) различных производственных объектов. Передовые OEM-производители работают с надежными партнерами по автоматизации, чтобы предлагать готовые к облачным вычислениям машины с модульными возможностями Industry 4.0, которые могут отправлять данные, необходимые конечным пользователям.

Для производителей машин использование автоматизации управления движением и комплексного подхода ко всем процессам с целью повышения эффективности заводов или компаний клиентов наверняка принесет больше выгоды.