Що потрібно знати виробникам комплектного обладнання та інженерам-конструкторам про двигуни, приводи та контролери.

Незалежно від того, чи вдосконалюють дизайнери машину, орієнтовану на рух, чи створюють нову, важливо починати з керування рухом. Тоді вони можуть розробити дизайн навколо найкращого способу отримати ефективну та ефективну автоматизацію.

Машини, що базуються на русі, повинні бути спроектовані та побудовані навколо своїх основних функцій. Для друкарської машини, яка покладається на певний набір програм намотування, наприклад, дизайнери зосередять увагу на критичних частинах і розроблять решту машини для підтримки основних функцій.

Це звучить як Design Engineering 101, але через тиск часу виходу на ринок і команди, які традиційно розділені на механічні, електричні та програмні відділи, дизайну легко повернутися до переважно лінійного процесу. Однак проектування з урахуванням керування рухом вимагає мехатронного підходу, який включає розробку початкових концепцій, визначення топології системи та машинного підходу, а також вибір інтерфейсу з’єднання та архітектури програмного забезпечення.

Ось деякі важливі аспекти двигунів, приводів, контролерів і програмного забезпечення, які інженери повинні враховувати від початку кожного проекту розробки машини, щоб зменшити неефективність, помилки та витрати, одночасно дозволяючи виробникам комплектного обладнання вирішувати проблеми клієнтів за менший час.

【Процес проектування】

Як і куди рухаються деталі, зазвичай інженери витрачають більшість своїх інженерних зусиль, особливо під час розробки інноваційних машин. Незважаючи на те, що інноваційні збірки займають найбільше часу, вони часто пропонують найбільшу рентабельність інвестицій, особливо якщо команди використовують новітні технології віртуальної інженерії та модульні конструкції.

Першим кроком під час розробки машини з нуля є запитання: які критичні функції цієї машини? Це може полягати в тому, щоб зробити машину, яку легко чистити, вона не потребує обслуговування або має високу точність. Визначте технологію, яка забезпечить необхідні функції, продуктивність або рівень обслуговування.

Чим складніша проблема, яку необхідно вирішити, тим складніше буде визначити найважливіші функції. Розгляньте можливість співпраці з постачальником засобів автоматизації, орієнтованих на рух, який допоможе визначити важливі деталі та визначити правильний підхід.

Потім запитайте: які стандартні функції машини? Залишаючись на попередньому прикладі друкарської машини, елементи керування натягом і датчиками, які використовуються для розмотування матеріалу, на якому друкується, є досить стандартними. Фактично, близько 80% завдань нової машини є варіаціями завдань попередніх машин.

Використання модульного апаратного забезпечення та програмування коду для виконання інженерних вимог до стандартних функцій значно зменшує кількість проектних ресурсів, необхідних для завершення проекту. Він також використовує перевірені часом функції, що підвищує надійність і дозволяє вам зосередитися на більш складних частинах конструкції.

Співпраця з партнером з керування рухами, який може надати стандартні функції за допомогою модульного обладнання та програмного забезпечення, означає, що ви можете зосередитися на додаткових функціях, які відрізняють ваш продукт від конкурентів.

У типовому проекті інженери-механіки будують структуру машини та її механічні компоненти; інженери-електрики додають електроніку, включаючи приводи, дроти та елементи керування; а потім програмні інженери пишуть код. Кожного разу, коли виникає помилка чи проблема, команда проекту має повернутися та виправити її. Так багато часу та енергії в процесі проектування витрачається на переробку дизайну на основі змін або помилок. На щастя, проектування механіки за допомогою програмного забезпечення САПР, планування та проектування в окремих системах майже залишилися в минулому.

Сьогодні віртуальне проектування дозволяє командам проектувати, як машини працюватимуть за допомогою кількох паралельних шляхів, таким чином значно скорочуючи цикл розробки та час виходу на ринок. Створивши цифрового двійника (віртуальне представлення машини), кожен відділ може працювати сам по собі та розробляти частини та елементи керування одночасно з рештою команди.

Цифровий двійник дозволяє інженерам швидко тестувати різні конструкції машини, а також технології вашої машини. Наприклад, можливо, процес вимагає подачі матеріалу в подачу машини, доки не буде зібрано потрібну кількість, а потім матеріал ріжеться; це означає, що ви повинні знайти спосіб зупинити подачу щоразу, коли потрібно розрізати матеріал. Є кілька способів впоратися з цією проблемою, і всі вони можуть вплинути на роботу машини в цілому. Спробувати різні способи виправлення або перемістити компоненти, щоб побачити, як це вплине на операції, легко з цифровим двійником і призводить до більш ефективного (і меншого) прототипування.

Віртуальне проектування дозволяє всім командам проектувальників побачити, як уся машина та її концепції, що збігаються, працюють разом для досягнення певної мети чи цілей.

【Вибір топології】

Складні конструкції з декількома функціями, більш ніж однією віссю руху та багатовимірним рухом, а також швидший вихід і пропускна здатність роблять топологію системи настільки ж складною. Вибір між централізованою автоматизацією на основі контролера або децентралізованою автоматизацією на основі приводу залежить від машини, що проектується. Те, що виконує машина, як її загальні, так і локальні функції, впливає на вибір централізованої чи децентралізованої топології. Розмір шафи, розмір машини, умови навколишнього середовища та навіть час встановлення також впливають на це рішення.

Централізована автоматизація. Найкращий спосіб отримати скоординоване керування рухом для складних машин – автоматизація на основі контролера. Команди керування рухом зазвичай пересилаються на певні сервоінвертори через стандартизовану шину реального часу, таку як EtherCAT, і інвертори керують усіма двигунами.

За допомогою автоматизації на основі контролера можна скоординувати кілька осей руху для виконання складного завдання. Це ідеальна топологія, якщо рух лежить в основі машини і всі частини повинні бути синхронізовані. Наприклад, якщо важливо, щоб кожна вісь руху була в певному місці, щоб правильно розташувати руку робота, ви, ймовірно, виберете автоматизацію на основі контролера.

Децентралізована автоматизація. З більш компактними машинами та машинними модулями децентралізоване керування рухом зменшує або усуває навантаження на засоби керування машиною. Натомість менші інверторні приводи беруть на себе децентралізоване керування, система вводу/виводу оцінює керуючі сигнали, а комунікаційна шина, така як EtherCAT, утворює наскрізну мережу.

Децентралізована автоматизація ідеальна, коли одна частина машини може взяти на себе відповідальність за виконання завдання і не повинна постійно звітувати перед центральним контролером. Натомість кожна частина машини працює швидко й незалежно, повідомляючи лише про виконання свого завдання. Оскільки кожен пристрій обробляє власне навантаження в такому розташуванні, загальна машина може використовувати переваги більш розподіленої обчислювальної потужності.

Централізоване і децентралізоване управління. Хоча централізована автоматизація забезпечує координацію, а децентралізована забезпечує більш ефективну розподілену обчислювальну потужність, поєднання обох інколи є найкращим вибором. Остаточне рішення залежить від загальних вимог, включаючи цілі, пов’язані з: ціною/цінністю, пропускною спроможністю, ефективністю, надійністю з часом, специфікаціями безпеки.

Чим складніший проект, тим важливіше мати партнера з проектування керування рухом, який може надати поради щодо різних аспектів. Коли виробник машин приносить бачення, а партнер з автоматизації — інструменти, саме тоді ви отримуєте найкраще рішення.

【Мережа машин】

Встановлення чистого, перспективного взаємозв’язку також є ключовим кроком у проектуванні з урахуванням керування рухом. Протокол зв’язку так само важливий, як і місце розташування двигунів і приводів, тому що справа не тільки в тому, що роблять компоненти, але й у тому, як ви все це з’єднуєте.

Гарна конструкція зменшує кількість проводів і відстань, яку вони повинні прокласти. Наприклад, набір із 10–15 проводів, що йдуть до віддаленого терміналу, можна замінити кабелем Ethernet за допомогою промислового протоколу зв’язку, такого як EtherCAT. Ethernet — не єдиний вибір, але незалежно від того, який із них ви використовуєте, переконайтеся, що у вас є правильні засоби зв’язку або шини, щоб ви могли використовувати загальні протоколи. Вибір хорошої комунікаційної шини та наявність плану того, як усе буде розміщено, значно спростять майбутні розширення.

Зосередьтеся на створенні гарного дизайну всередині шафи з самого початку. Наприклад, не розташовуйте блоки живлення поблизу електронних компонентів, на які можуть впливати магнітні перешкоди. Компонент із високими струмами або частотами може створювати електричний шум у проводах. Тому для найкращої роботи тримайте компоненти високої напруги подалі від компонентів низької напруги. Крім того, дізнайтеся, чи ваша мережа має рейтинг безпеки. Якщо ні, вам, швидше за все, знадобляться жорсткі резервні з’єднання безпеки, щоб, якщо одна частина вийшла з ладу, вона виявляла власну несправність і реагувала.

Оскільки індустріальний Інтернет речей (IIoT) завойовує популярність, подумайте про додавання розширених функцій, до яких ви або ваші клієнти, можливо, не зовсім готові. Вбудовування можливостей у машину означає, що пізніше її буде легше оновити.

【Програмне забезпечення】

Згідно з галузевими оцінками, невдовзі виробникам обладнання доведеться витрачати 50-60% часу на розробку машин на вимоги до програмного забезпечення. Еволюція від фокусу на механіці до фокусу на інтерфейсі ставить невеликих машинобудівників у невигідне конкурентне становище, але також може вирівняти умови для компаній, які бажають прийняти модульне програмне забезпечення та стандартизовані відкриті протоколи.

Спосіб організації програмного забезпечення може розширити або обмежити можливості машини зараз і в майбутньому. Подібно до модульного апаратного забезпечення, модульне програмне забезпечення підвищує швидкість і ефективність машинобудування.

Наприклад, ви проектуєте машину і хочете додати додатковий крок між двома етапами. Якщо ви використовуєте модульне програмне забезпечення, ви можете просто додати компонент без перепрограмування чи перекодування. І якщо у вас є шість розділів, які виконують одну й ту саму роботу, ви можете один раз написати код і використовувати його в усіх шести розділах.

Завдяки модульному програмному забезпеченню проектування не тільки стає ефективнішим, але й дозволяє інженерам забезпечити гнучкість, яку прагнуть клієнти. Наприклад, скажімо, клієнт хоче машину, яка працює з продуктами різного розміру, і найбільший розмір вимагає зміни функціонування однієї секції. За допомогою модульного програмного забезпечення дизайнери можуть просто змінити секцію, не впливаючи на інші функції машини. Цю зміну можна автоматизувати, щоб дозволити виробнику обладнання або навіть клієнту швидко перемикатися між функціями машини. Нема чого перепрограмувати, тому що модуль вже в машині.

Машинобудівники можуть запропонувати стандартну базову машину з додатковими функціями для задоволення унікальних вимог кожного клієнта. Розробка портфоліо механічних, електричних і програмних модулів полегшує швидку збірку конфігурованих машин.

Однак, щоб отримати максимальну ефективність від модульного програмного забезпечення, важливо дотримуватися галузевих стандартів, особливо якщо ви використовуєте більше ніж одного постачальника. Якщо постачальник накопичувача та датчика не дотримується галузевих стандартів, ці компоненти не можуть спілкуватися один з одним, і вся ефективність модульності втрачається під час визначення способу з’єднання частин.

Крім того, якщо ваш клієнт планує підключити потік даних до хмарної мережі, важливо, щоб будь-яке програмне забезпечення створювалося з використанням галузевих стандартних протоколів, щоб машина могла працювати з іншими машинами та взаємодіяти з хмарними службами.

OPC UA та MQTT є найпоширенішими стандартними програмними архітектурами. OPC UA забезпечує зв’язок майже в реальному часі між машинами, контролерами, хмарою та іншими ІТ-пристроями, і, ймовірно, це найближче до цілісної комунікаційної інфраструктури, яку ви можете отримати. MQTT — це більш легкий протокол обміну повідомленнями IIoT, який дозволяє двом програмам спілкуватися одна з одною. Він часто використовується в одному продукті, дозволяючи, наприклад, датчику або приводу отримувати інформацію з продукту та надсилати її до хмари.

【Хмарне підключення】

Взаємопов’язані машини із замкнутим циклом все ще є більшістю, але фабрики, повністю підключені до хмари, стають все більш популярними. Ця тенденція може підвищити рівень прогнозованого обслуговування та виробництва, керованого даними, і є наступною великою зміною у заводському програмному забезпеченні; все починається з віддаленого підключення.

Заводи, об’єднані в хмарну мережу, аналізують дані з різних процесів, різних виробничих ліній тощо, щоб створити більш повне представлення виробничого процесу. Це дозволяє їм порівнювати загальну ефективність обладнання (OEE) різних виробничих потужностей. Передові OEM-виробники співпрацюють із надійними партнерами з автоматизації, щоб пропонувати готові до хмари машини з модульними можливостями Industry 4.0, які можуть надсилати потрібні кінцевим користувачам дані.

Для машинобудівників використання автоматизації керування рухом і застосування цілісного підходу до загального процесу для підвищення ефективності заводів або компаній клієнтів обов’язково принесе більше бізнесу.