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

Независимо от того, совершенствуют ли конструкторы существующую машину, ориентированную на управление движением, или создают новую, крайне важно начинать с учета принципов управления движением. Тогда они смогут разработать конструкцию, ориентируясь на оптимальный способ эффективной и действенной автоматизации.

Машины, работающие на основе движения, должны проектироваться и создаваться с учетом их основных функций. Например, в случае печатной машины, которая зависит от определенного набора операций намотки, конструкторы должны сосредоточиться на критически важных компонентах и ​​разработать остальную часть машины для поддержки основных функций.

Это звучит как основы проектирования, но в условиях жесткого давления со стороны сроков выхода на рынок и традиционной разобщенности команд на механическое, электрическое и программное обеспечение, процесс проектирования легко может вернуться к преимущественно линейному. Однако проектирование с учетом управления движением требует мехатронного подхода, включающего разработку первоначальных концепций, определение топологии системы и принципа работы машины, 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 по проектированию машин, чтобы снизить неэффективность, ошибки и затраты, а также позволить производителям оборудования решать проблемы клиентов в кратчайшие сроки.

【Процесс проектирования】

Как правило, инженеры уделяют большую часть своих усилий тому, как и куда перемещаются детали, особенно при разработке инновационных машин. Хотя создание инновационных конструкций является наиболее трудоемким процессом, он часто обеспечивает наибольшую окупаемость инвестиций, особенно если команды используют новейшие технологии виртуального проектирования и модульного дизайна.

Первый шаг при разработке машины с нуля — задать себе вопрос: каковы критически важные функции этой машины? Это может быть создание машины, которую легко чистить, которая не требует сложного обслуживания или отличается высокой точностью. Необходимо определить технологию, которая обеспечит требуемую функциональность, производительность или уровень обслуживания.

Чем сложнее решаемая задача, тем труднее будет определить наиболее важные функции. Рассмотрите возможность сотрудничества с поставщиком решений для автоматизации движения, который поможет определить критически важные детали и выбрать правильный подход.

Затем спросите: каковы стандартные функции машины? Возвращаясь к предыдущему примеру с печатной машиной, следует отметить, что управление натяжением и датчиками, используемые для размотки материала, на который производится печать, являются довольно стандартными. Фактически, около 80% задач новой машины представляют собой вариации задач предыдущих машин.

Использование модульного оборудования и программного кода для решения инженерных задач, связанных со стандартными функциями, значительно сокращает объем проектных ресурсов, необходимых для завершения проекта. Кроме того, используются проверенные временем функции, что повышает надежность и позволяет сосредоточиться на более сложных аспектах проектирования.

Сотрудничество с партнером по системам управления движением, способным обеспечить стандартные функции с помощью модульного оборудования и программного обеспечения, позволит вам сосредоточиться на дополнительных функциях, которые выделят ваш продукт среди конкурентов.

В типичном проекте по проектированию инженеры-механики создают конструкцию машины и её механические компоненты; инженеры-электрики добавляют электронику, включая приводы, провода и системы управления; а затем инженеры-программисты пишут код. Каждый раз, когда возникает ошибка или проблема, проектной команде приходится возвращаться назад и исправлять её. Столько времени и сил тратится на переделку проекта на основе изменений или ошибок. К счастью, проектирование механики с помощью САПР и разрозненное планирование и проектирование практически ушли в прошлое.

Сегодня виртуальное проектирование позволяет командам разрабатывать принцип работы машин, используя несколько параллельных путей, что значительно сокращает цикл разработки и время выхода на рынок. Создав цифровой двойник (виртуальное представление машины), каждый отдел может работать самостоятельно и разрабатывать детали и системы управления одновременно с остальной командой.

Цифровой двойник позволяет инженерам быстро тестировать различные конструкции станка, а также технологии его работы. Например, если в процессе требуется подача материала в станок до тех пор, пока не будет собрано необходимое количество, а затем материал будет разрезан; это означает, что необходимо найти способ остановить подачу материала всякий раз, когда его нужно разрезать. Существует несколько способов решения этой задачи, и все они могут повлиять на работу станка в целом. Пробовать разные решения или перемещать компоненты, чтобы увидеть, как это повлияет на работу, легко с помощью цифрового двойника, и это приводит к более эффективному (и менее трудоемкому) прототипированию.

Виртуальное проектирование позволяет командам разработчиков видеть, как вся система в целом и взаимодействующие с ней концепции работают вместе для достижения конкретной цели или целей.

【Выбор топологии】

Сложные конструкции с несколькими функциями, более чем одной осью движения и многомерным перемещением, а также более высокой производительностью и пропускной способностью делают топологию системы столь же сложной. Выбор между централизованной автоматизацией на основе контроллера или децентрализованной автоматизацией на основе привода зависит от проектируемой машины. Функции машины, как общие, так и локальные, влияют на выбор централизованной или децентрализованной топологии. Размеры шкафа, размер машины, условия окружающей среды и даже время установки также влияют на это решение.

Централизованная автоматизация. Лучший способ обеспечить скоординированное управление движением сложных машин — это автоматизация на основе контроллера. Команды управления движением обычно передаются на конкретные сервоинверторы по стандартизированной шине реального времени, такой как EtherCAT, и инверторы управляют всеми двигателями.

При автоматизации на основе контроллера можно скоординировать движение нескольких осей для выполнения сложной задачи. Это идеальная топология, если движение является основой машины, и все части должны быть синхронизированы. Например, если для правильного позиционирования роботизированной руки 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 полностью исключает нагрузку на системы управления машинами. Вместо этого, более компактные инверторные приводы берут на себя функции децентрализованного управления, система ввода-вывода обрабатывает 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 не должна постоянно передавать отчеты в центральный пункт управления. Вместо этого каждая часть машины работает быстро и независимо, сообщая о завершении своей задачи только после ее выполнения. Поскольку в такой схеме каждое устройство обрабатывает свою собственную нагрузку, вся машина может использовать преимущества распределенной вычислительной мощности.

Централизованное и децентрализованное управление. Хотя централизованная автоматизация обеспечивает координацию, а децентрализованная — более эффективную распределенную обработку данных, иногда наилучшим выбором является сочетание обоих подходов. Окончательное решение зависит от общих требований, включая цели, связанные с: соотношением стоимости и ценности, пропускной способностью, эффективностью, надежностью во времени, требованиями безопасности.

Чем сложнее проект, тем важнее иметь партнера по проектированию систем управления движением, который сможет дать рекомендации по различным аспектам. Когда производитель оборудования предлагает концепцию, а партнер по автоматизации — инструменты, тогда получается наилучшее решение.

【Сетевое взаимодействие машин】

Создание надежных и перспективных соединений также является ключевым шагом при проектировании систем управления движением. Протокол связи так же важен, как и местоположение двигателей и приводов, поскольку речь идет не только о том, что делают компоненты, но и о том, как все это соединено.

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

С самого начала сосредоточьтесь на создании качественной конструкции корпуса. Например, не размещайте блоки питания рядом с электронными компонентами, которые могут подвергаться магнитным помехам. Компоненты с высокими токами или частотами могут создавать электрические помехи в проводах. Поэтому для оптимальной работы держите высоковольтные компоненты подальше от низковольтных. Кроме того, выясните, соответствует ли ваша сеть требованиям безопасности. Если нет, вам, вероятно, понадобятся проводные резервные соединения безопасности, чтобы в случае отказа одного компонента он сам обнаружил неисправность и отреагировал.

По мере распространения промышленного интернета вещей (IIoT) стоит подумать о добавлении расширенных функций, к использованию которых вы или ваши клиенты, возможно, еще не готовы. Встраивание этих возможностей в само оборудование упростит его последующую модернизацию.

【Программное обеспечение】

Согласно отраслевым оценкам, вскоре производителям оборудования потребуется тратить 50-60% времени, затрачиваемого на разработку машин, на требования к программному обеспечению. Переход от ориентации на механику к ориентации на интерфейс ставит мелких производителей машин в невыгодное конкурентное положение, но также может выровнять условия конкуренции для компаний, готовых внедрять модульное программное обеспечение и стандартизированные открытые протоколы.

Способ организации программного обеспечения может расширять или ограничивать возможности машины как сейчас, так и в будущем. Подобно модульному оборудованию, модульное программное обеспечение повышает скорость и эффективность машиностроения.

Например, предположим, 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. И если у вас шесть секций, выполняющих одно и то же действие, вы можете написать код один раз и использовать его во всех шести секциях.

Модульное программное обеспечение не только повышает эффективность проектирования, но и позволяет инженерам обеспечить гибкость, которую так ценят клиенты. Например, предположим, что клиент хочет машину, способную работать с изделиями разных размеров, и для самого большого размера требуется изменение работы одной из секций. С помощью модульного программного обеспечения конструкторы могут просто заменить секцию, не затрагивая остальные функции машины. Это изменение может быть автоматизировано, что позволит производителю оборудования или даже клиенту быстро переключаться между функциями машины. Ничего не нужно перепрограммировать, поскольку модуль уже встроен в машину.

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

Однако для достижения максимальной эффективности модульного программного обеспечения крайне важно соблюдать отраслевые стандарты, особенно если вы используете более одного поставщика. Если поставщик приводов и датчиков не соблюдает отраслевые стандарты, то эти компоненты не смогут взаимодействовать друг с другом, и вся эффективность модульной системы будет потеряна из-за необходимости самостоятельно решать, как соединить детали.

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

OPC UA и MQTT — наиболее распространенные стандартные программные архитектуры. OPC UA обеспечивает связь практически в реальном времени между машинами, контроллерами, облаком и другими ИТ-устройствами и, вероятно, является наиболее близкой к целостной коммуникационной инфраструктуре. MQTT — это более легковесный протокол обмена сообщениями в промышленном интернете вещей (IIoT), позволяющий двум приложениям взаимодействовать друг с другом. Он часто используется в рамках одного продукта — например, позволяя датчику или приводу получать информацию от продукта и отправлять ее в облако.

【Подключение к облаку】

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

Предприятия, работающие в облачной сети, анализируют данные из различных процессов, производственных линий и многого другого, чтобы создать более полное представление о производственном процессе. Это позволяет им сравнивать общую эффективность оборудования (OEE) различных производственных объектов. Передовые производители оригинального оборудования (OEM) сотрудничают с проверенными партнерами по автоматизации, чтобы предлагать машины, готовые к работе в облаке, с модульными возможностями Индустрии 4.0, которые могут передавать необходимые конечным пользователям данные.

Для производителей оборудования использование автоматизации управления движением и целостный подход к оптимизации всего производственного процесса для повышения эффективности предприятий или компаний клиентов, несомненно, приведут к увеличению объемов заказов.