בקרים קומפקטיים מבוססי מערכות הנעה המתאמים בין 128 צירים
מאת: Kai Flucke, Simotion D
הודות לקומפקטיות ולגמישות שלהן, מערכות האוטומציה שנעזרות בבקרים מבוססי מערכות הנעה זוכות לפופולאריות רבה.
יחידות הבקרה החדשות, בעלות הביצועים הגבוהים, מעניקות כעת יכולות מיחשוב משופרות, תוספת זיכרון ואפשרויות נוספות: עם ממשקי ה-Profinet ורכיבי הכניסה/יציאה המותקנים, ניתן לשייט ולתאם בין 128 צירים. כך, מתקבלים פתרונות יעילים אף יותר.
פתרונות מבוססי מערכות הנעה לאוטומצית מכונות יעילה
לצד הבקרים (PLC) ומערכות הבקרה מבוססות המחשב הרגילות, פלטפורמות הבקרים מבוססי מערכות הנעה זכו למקום של קבע במסגרת טכנולוגיות האוטומציה.
הפופולאריות גבוהה במיוחד בקרב יצרני מכונות ייצור, שבהן הציוד האלקטרוני צריך להתאים את עצמו לחלקים במכונה, אשר יכולים כעת להפוך מכונה או רכיב מכונה לאוטומטיים לגמרי בזכות רכיב בקרת תנועה אחד המשולב כחלק ממערכת ההנעה.
בדיוק לצורך כך, Siemens AG מספקת, למשל, בקרים מבוססי מערכות הנעה בשתי גרסאות:
מערכת ציר בודד: ‘יחידת הבקרה Simotion D’ מתחברת ישירות ל’רכיב הכח Sinamics S120 PM340’.
מערכת מרובת צירים: בנוסף ל’יחידת הבקרה Simotion D’, ‘רכיב הזנה Sinamics S120’ (יחידת מיישר המתח) ולפחות ‘רכיב מנוע’ אחד (חלקי הכח) המשתייכים לקבוצת צירים.
בעוד שבמערכת הציר הבודד, חלקי מיישר המתח ואספקת הכח משולבים בתוך רכיב אחד, ‘רכיב הכח’. במערכת מרובת צירים רכיב ההזנה מספק את הכח המרכזי בחיבור מתח ישיר (DC). רכיבי המנוע מספקים כח למנועים בחיבור מתח ישיר (DC). מצד אחד, חיבור המתח הישיר מאפשר תחלופת מתח בין הצירים המונעים רגנרטיביים, אך מצד שני, מערכת מיישר המתח המבוקרת בחוג סגור מאפשרת למתח לחזור למערכת אספקת הכח וכך יוצרת חסכון בחשמל.
ביחידות הבקרה מסוג Simotion D מתקיימים 3 אלמנטים חשובים עבור בקרת מכונה:
בקרת תנועה (למשל, מיקום, פעולה מסונכרנת, CAM, אינטרפולציה).
טכנולוגיה (למשל, בקרת טמפרטורה, בקרת לחץ, יציאות מהירות שעל יחידת הבקרה).
אלמנטים אלו ממוזגים אחד לתוך השני ברכיב ובמערכת הפעלה אחת, ומשולבים ישירות ברכיב הבקרה של מערכת ההנעה Sinamics S120 (ראו איור 1).
בזכות כל זה המערכת השלמה היא קומפקטית מאוד והודות להשמטת הממשקים, יכולה להגיב באופן מהיר במיוחד.
השילוב של שיטות הבקרה השונות גם מפשט את ההגדרה, התכנות וההוצאה לפועל, שכן כל הפעולות מוגדרות ומתוכנתות כחלק ממערכת הנדסית רגילה אחת.
השנה, ביריד הסחר השנתי של הנובר, (Hanover Trade Show)
Siemens הציגה את Simotion D4x5-2, הבקרים מבוססי מערכות ההנעה של הדור הבא.
בקרי תנועה מבוססי מערכות ההנעה של הדור הבא
בזכות שתי הגרסאות של Simotion, D445-2 DP/PN ו- D455-2 DP/PN, מחלקת טכנולוגית מערכות ההנעה של Siemens הוסיפה להיצע שלה גם בקרים מבוססי מערכות הנעה בעלי ביצועים גבוהים (ראו איור 2).
בנוסף לממשקי ה-Profinet המותקנים, התווספו רכיבי כניסה/יציאה נוספים והזיכרון הראשי הוגדל, כך שיכולת המחשוב, באופן ספציפי, השתפרה באופן משמעותי.
- איור 3. ממשקי ה-Profinet האופציונאליים שהיו קיימים קודם עבור בקריSimotion D4x5-2 מבוססי מערכות הנעה, שולבו כעת בתוך הרכיב. החריצים הפנויים מאפשרים לחבר הרחבות נוספות. הבקר כולל גם שני ממשקי Profibus, שני ממשקי Industrial Ethernet ו-28 רכיבי כניסה/יציאה דיגיטליים, מתוכם ניתן להשתמש ב-16 רכיבי כניסה/יציאה לטובת משימות טכנולוגיות.
- איור 4. ניתן לפרוס באופן גמיש את רכיבי הכניסה/יציאה המותקנים ולהשתמש בהם ככניסה לדגימה מהירה או כיציאת CAM OUTPUT לטובת משימות טכנולוגיות.
תקשורת מהירה בזמן אמת שמבטיחה מחזורי בקרת תנועה קצרים
ממשקי התקשורת בעלי הביצועים הגבוהים הם חלק משיטות הפעולה העיקריות של הבקרים מבוססי מערכות ההנעה.
הם מאפשרים תחלופה של נתונים בנפח גבוה עם בקרים ברמה גבוהה יותר, את אפשרות העיבוד הנוספת של אותות כניסה/יציאה עם זמני תגובת מסוף-מסוף קצרים ואת הביצוע של יישומי פעולה מסונכרנת, שבהם צירים רבים צריכים להסתנכרן זה עם זה לאורך מספר בקרים.
כדי לאפשר קישוריות יעילה יותר, ממשקי ה-Profinet שהיו קיימים קודם שולבו כעת בתוך הבקרים מרובי הצירים, כך שהחריצים הפנויים מאפשרים לחבר הרחבות נוספות (למשל, להתקנה של רכיבי כניסה/יציאה נוספים). (ראו איור 3)
כמו קודם, שני ממשקי ה-Profibus וה-Industrial Ethernet קיימים גם כעת ביחידות הבקרה החדשות, כאשר הגישה לאחד מממשקי ה-Ethernet היא נוחה מאוד כעת, אפילו כאשר הכיסוי החיצוני סגור. ממשק זה מיועד במיוחד לחיבור של מחשב הנדסה או שירות.
ממשק ה-Profinet החדש המותקן מצויד עם מתג משולב בעל 3 יציאות ומאפשר הקמה פשוטה של טופולוגיות רשת שונות בלי להזדקק למפסקים חיצוניים נוספים, כגון מבנה של אפיק לינארי, מבנה כוכב או מבנה עץ. ממשק זה תומך בתחלופת נתונים מסונכרנת זמנים של איזונכרוניות בזמן אמת (IRT) וניתן להפעיל אותה כבקר ו/או כרכיב.
שמירת רוחב הפס מאפשרת גם לבצע את עיבוד הנתונים תלוי הזמן, אך גם את ההעברה של נתונים בנפח גבוה (למשל, לצרכי הדמיה או השגת נתונים) לאורך קו אחד.
הרחבות עם כניסה/יציאה לצרכים טכנולוגיים
בימינו, יישומי בקרת תנועה אינם מוגבלים רק לשיוט ממשי של צירים אלא מכילים גם אפשרויות טכנולוגיות רבות הקשורות קשר הדוק לבקרת תנועה. למשל, על מנת לקבוע את מיקום המוצר על פני הסרט הנע, כניסת הדגימה המהירה משיגה נתונים מאוד מדויקים של מיקום הציר .
גם ה-CAM OUTPUT מפעיל יציאה דיגיטלית תלוית מיקום, וכך למשל מפעיל נקודות הדבקה לחיבור נכון של המוצר על גבי חבילה.
למרות שמכונות הייצור משתמשות פעמים רבות בכניסת דגימה מהירה וכן ב-CAM OUTPUT, לעיתים קרובות רק חלק קטן ממידע הכניסה/יציאה הזה דרוש לצרכי היצור הממשיים. כדי שיהיה ניתן להטמיע יישומים אלו באופן היעיל ביותר האפשרי (מבלי להידרש לרכיבים נוספים), מספר רכיבי הכניסה/יציאה המשמשים לצרכים טכנולוגיים הוכפל בדור הזה של בקרים מבוססי מערכות הנעה. כלומר, נוסף על 12 רכיבי הכניסה הדיגיטלית, 16 רכיבי כניסה/יציאה משתנים קיימים כעת ככניסה או כיציאה דיגיטליות. כפי שניתן לראות באיור 4, אפשר להגדיר את רכיבי הכניסה/היציאה המשתנים כ- CAM OUTPUT (שמונה ערוצים לכל היותר) או ככניסת דגימה מהירה (16 ערוצים לכל היותר) עבור משימות טכנולוגיות.
כדי לקבל מוצר באיכות גבוהה אפילו במחזורי מכונה קצרים במיוחד, הרזולוציה של כניסת האותות או יציאת האותות היא עד כדי מיקרו-שניה אחת.
כך ניתן לוודא, למשל, שחלק פגום ידחה באופן מדויק, אפילו במחזורי ייצור שהם בני חמש מילי-שניות בלבד (מקביל למחזור ייצור של 12,000 מוצרים לדקה).
- איור 5. דרישות הביצוע במהלך המחזור של יישום מסוים הן לא תמיד הומוגניות. מערכת הפעלה גמישה מאפשרת ניצול אופטימלי של יכולות המחשוב הזמינות עבור דרישות הביצוע השונות (כאן: לחיצה הידראולית אשר זקוקה לדרישות ביצוע גבוהות מצד התגובה הדינאמית).
- איור 6. שרת אינטרנט המשולב בתוך הבקר מאפשר הוצאה לפועל של אפשרויות השירות, אפילו ללא הצורך במערכת הנדסית (למשל, ייבוא של מידע אבחוני ושל התראות)
מערכת זמן אמת בעלת ביצועים גבוהים
תוצר המכונה נקבע לא רק על פי זמני הדממה קצרים או שיעורי דחייה נמוכים, אלא במיוחד על ידי קיבולת הייצור הגבוהה. המשתנים שמשפיעים במיוחד על התפוקה הם הדינמיקה של ההנעה, מחזורי בקרה קצרים בעלי חוגים סגורים או פתוחים וזמני תגובת מסוף-מסוף קצרים.
על מנת להבטיח את כל המשתנים האלו יש צורך בפתרונות אוטומציה בעלי ביצועים גבוהים שמאפשרים זמני מחזור קצרים, אפילו כאשר מדובר במספר רב של צירים.
רק באופן הזה ניתן לקלוט או לפלוט אותות באופן אמין ולבצע בדיוק הנדרש את התיאום בין תנועות הצירים.
נוסף על תפוקה גבוהה, זמני מחזור קצרים מאפשרים לקבל את איכות המוצר הגבוהה ביותר האפשרית.
כדי לעמוד בדרישות ההולכות וגוברות תמידית מצד מכונות היצור – מהירות יותר מתמיד, אמינות יותר מאי פעם, גמישות יותר מאי פעם – ביצועי העיבוד של יחידות הבקרה החדשות שופרו במקדם של עד פי שלוש וזמני המחזור המינימליים צומצמו בחצי.
רמת הביצועים של הבקר החדש Simotion D455-2 DP/PN גם הובילה להכפלה של מספר הצירים המירבי לבקרת תנועה עד לכדי 128 צירים ולהגדלה של זיכרון ה-RAM הראשי במקדם של עד פי שלוש.
דרישות הביצוע משתנות באופן ניכר בין יישום אחד למשנהו, למשל כאשר צירים הזקוקים לדרישות ביצוע שונות מאוד על פני שרשרת ההתנהגות הדינאמית הם חלק מיישום אחד. דוגמה אחת לכך היא דרישות הביצוע השונות ממערכות ההנעה החשמליות או ההידראוליות במכונות לעיבוד מתכות.
ניצול אופטימלי של יכולת המחשוב
בגלל הצורך בתגובות דינאמיות ביותר בטכנולוגית האוטומציה, במכונות לעיבוד מתכת מערכת ההנעה ההידראולית המבוקרת על ידי חוג סגור/פתוח היא אחד מישומי בקרת התנועה המתוחכמים ביותר, כמו למשל בפעולה של משיכה עמוקה.
ביישומים כאלה יש צורך לפצות על שינויי העוצמה הדינאמיים מאוד שמתרחשים כאשר הכלי נכנס לתוך אזור עיבוד החלק במקבע של יריעת המתכת על גבי תבנית הריקוע. לצורך כך יש צורך להשתמש במחזורי בקרה קצרים במיוחד, אשר קצרים משמעותית ממילי-שניה אחת.
מצד שני, יישומים כאלה מכילים, למשל, מערכות הנעה ברות כיוון, גלגלות הזנה ורכיבי העברה אלקטרונים אשר בהם מחזורי הבקרה מבוססי חוג סגור עשוים לארוך מספר מילי-שניות.
כדי להבטיח ניצול אופטימלי של יכולות המחשוב הזמינות, היחידות ברכיב D4x5-2 מכילות רמה נוספת של זמן ריצה שני (servoFast ו- IPOFast).
כלומר, החישוב של הבקרה מבוססת החוג הסגור של המיקום והלחץ במחזור ה-servo והחישוב של משתני הפעולה במחזור ה-IPO (אינטרפולטור) נעשה רק במחזור בקרה קצר מבוסס חוג סגור עבור צירים דינמיים במיוחד (למשל, הלחיצה ההידראולית, המוצגת מצד שמאל באיור 5). הצירים האחרים (למשל, רכיבי ההנעה האלקטרוניים הניתנים לכיוון, המוצגים מצד שמאל באיור 5) מחושבים במחזור בקרה מבוסס חוג סגור ארוך יותר באופן משמעותי, ולכן אינם גורמים לעומס בלתי נחוץ על הבקר. הניצול האופטימלי הזה מאפשר שימוש במספר רב של צירים לצד זמני מחזור קצרים.
פונקציונליות הנעה חדשנית
בגלל הדרישות הגוברות מהפונקציונליות של מערכת ההנעה, היה צורך לשלב רכיב בקרת הנעה חדש מבוסס חוג סגור, כחלק מיחידת הבקרה החדשנית של Sinamics S120 CU320-2 עבור D4x5-2. בנוסף להגדלת יכולת העיבוד של מערכות ההנעה, התווספו גם פעולות הנעה חדשות (למשל, הגבלת מהירות בטיחותית, Sensorless).
זמני אופטימיזציה קצרים יותר וזמני הדממה מינימליים
יחידת הבקרה של Simotion מעניקה אפשרויות נרחבות לאבחון, שירות ותחזוקה. מרבית האפשרויות האלו קיימות פשוט ברשת האינטרנט, אפילו ללא צורך במערכת הנדסית.
יחידות הבקרה D4x5-2 כוללות שרת אינטרנט משולב לצורך מטרה זו (WEB SERVER). הגישה אליו נעשית באמצעות דפדפן אינטרנט רגיל ואפשר לבצע אותה במקום או מרחוק ללא כל צורך בתוכנה ייעודית , למשל:
ישירות באמצעות כבל רשת Ethernet מקומית או באופן אלחוטי בעזרת רכיבי התקשורת המקומית האלחוטית המתאימים.
ברשת של מכונות המפעל.
בעזרת רשת וירטואלית פרטית מאובטחת (ערוץ VPN) והאינטרנט, פחות או יותר מכל מקום בעולם.
שרת האינטרנט המשולב (ראו איור 6) מאפשר מגוון רחב של אפשרויות שירות, למשל:
ייבוא של מידע אבחוני ושל התראות, כולל אפשרות איסוף נתונים גרפית TRACE
גישה מבוססת סימנים וידידותית למשתמש למשתני המערכת באמצעות דפדפן המשתנים.
האפשרות לבצע עדכון לקושחה (firmware) או לפרויקט.
בנוסף, אפשר להגדיר את דפי האינטרנט המותאמים למשתמש כך שהאבחון יתבצע באופן מותאם למכונות הקשורות אליו.
אפשר להשתמש באפשרות “צור נתוני אבחון” על מנת ליצור “בלחיצת כפתור” תמונת מצב נוכחית של המכונה, המכילה את התוכן של דפי האינטרנט, תוכן ממאגר האבחון ואת ההתראות. אפשר לכווץ את הנתונים האלה, להעלות אותם למחשב האישי ולשלוח אותם לניתוח באמצעות דואר אלקטרוני.
עם זאת, אפשר לגשת למידע האבחוני אפילו בלי להשתמש במחשבים אישיים או במחשבי כף יד. לשם כך, יחידות הבקרה החדשות מצוידות בלחצן אבחון נפרד שברגע שלוחצים עליו שומר הדמיה של האבחון על גבי כרטיס זיכרון פלאש.
בנוסף לאפשרויות הניטור, גרסה 4.2, הגרסה החדשה של המוצר, כוללת ניטור למערכת (סקופ דיגיטלי) שבעזרתו ניתן להקליט בסנכרון באמצעות Profinet עד כ-124 אותות המגיעים ממספר בקרי Simotion שונים המחוברים יחד.
אפשרות זו מקצרת את זמני השירות וההוצאה לפועל, במיוחד עבור מערכות מורכבות, כגון מכונות הדפסה שכוללות מספר בקרים מודולריים ופעולה מסונכרנת לאורך המכונה.
פתרונות קומפקטיים של אוטומציה מבוססת מערכות הנעה
פתרונות האוטומציה ההיררכית מבוססת מערכות הנעה מאפשרים ליצור פתרונות קומפקטיים במיוחד למכונות ייצור.
על פי העקרון של “אינטליגנציה במערכת ההנעה”, נוסף על בקרת ההנעה, בבקרים של מערכות ההנעה משולבות גם הפעולות של בקר PLC, בקרת תנועה והטכנולוגיה.
כך גם נחסך מקום יקר בלוח החשמל של המכונה וגם זמן התגובה של המערכת הופך למהיר יותר.
בזכות הדור הבא של Simotion-D, מחלקת טכנולוגית מערכות ההנעה של Siemens הרחיבה את היצע המוצרים שלה לבקרים מרובי צירים. האפשרויות החדשות (ראו תיבה), כגון שילוב ממשק Profinet מותקן, שיפור יכולות הבקר ויכולות המחשוב של מערכות ההנעה והגדלת המספר של הצירים ל-128, נותנות מענה לדרישות ההולכות וגוברות מצד השוק.
Kai Flucke הינו מנהל מוצר בחברת
SIMOTION D
הכתבה נמסרה באדיבות חברת סימנס
