Τα σύγχρονα βιομηχανικά συστήματα, όπως η ρομποτική και τα αυτοματοποιημένα συστήματα μεταφοράς, βασίζονται σε υψηλής ταχύτητας, συγχρονισμένα δεδομένα για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης, τη βελτίωση της απόδοσης και την επίτευξη πρόβλεψης συντήρησης. Ωστόσο, η καταγραφή και ο συντονισμός δεδομένων θέσης και κίνησης με ακρίβεια επιπέδου χιλιοστών του δευτερολέπτου είναι μια σημαντική πρόκληση. Τα τυπικά συστήματα απόκτησης δεδομένων (DAQ) συχνά στερούνται την εξειδικευμένη λειτουργικότητα που απαιτείται για σύνδεση σε πραγματικό χρόνο με κωδικοποιητές και χρονοδιακόπτες, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε μειωμένη αξιοπιστία του συστήματος και συμφόρηση απόδοσης.
Αυτό το άρθρο αρχικά εισάγει εν συντομία τις διάφορες απαιτήσεις που απαιτούνται για τη μέτρηση της θέσης και του χρόνου υψηλής ταχύτητας σε σκληρές βιομηχανικές εφαρμογές. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η μονάδα μετρητή/χρονομετρητή κωδικοποιητή της Advantech και οι διάφορες λειτουργίες κωδικοποιητή και τα τέσσερα κανάλια υψηλής ταχύτητας αυτής της ενότητας εξηγούνται πώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίλυση πολύπλοκων προβλημάτων συγχρονισμού σε εφαρμογές ρομπότ και ελέγχου κίνησης. Οι τυπικές διαμορφώσεις συστήματος και τα συμβατά εργαλεία λογισμικού παρέχουν μια σαφή διαδρομή υλοποίησης για την ενοποίηση του συστήματος.
Η σημασία του ακριβούς ελέγχου της κίνησης και του χρόνου στις βιομηχανικές διαδικασίες
Τα σύγχρονα βιομηχανικά συστήματα βασίζονται σε πολύπλοκες και τακτικές κινήσεις, στις οποίες η ικανότητα συντονισμού είναι ζωτικής σημασίας. Ας εξετάσουμε έναν ρομποτικό βραχίονα που μαζεύει εξαρτήματα από έναν κινούμενο μεταφορικό ιμάντα. Για να λειτουργεί κανονικά το σύστημα, η κίνηση του ρομποτικού βραχίονα πρέπει να συγχρονίζεται με την ταχύτητα και τη θέση του μεταφορέα. Για να επιτευχθεί αυτό, είναι απαραίτητο να συλλάβουμε πληροφορίες από πολλαπλές πηγές δεδομένων με ακρίβεια επιπέδου χιλιοστών του δευτερολέπτου και να τις συντονίσουμε, κάτι που είναι μια εξαιρετικά απαιτητική τεχνική απαίτηση.
Το σύστημα DAQ παίζει κεντρικό ρόλο στην επίλυση αυτού του προβλήματος. Το σύστημα συλλαμβάνει δεδομένα κωδικοποιητή από τον κινητήρα μετάδοσης κίνησης του μεταφορέα και τις αρθρώσεις του ρομποτικού βραχίονα και συγχρονίζει αυτές τις μετρήσεις σε πολλαπλά κανάλια για να υπολογίσει με ακρίβεια το χρονισμό των στοιχείων αναχαίτισης στον μεταφορικό ιμάντα.
Όταν αυξάνεται η ταχύτητα του μεταφορικού ιμάντα για να βελτιωθεί η απόδοση παραγωγής, το σύστημα απόκτησης δεδομένων (DAQ) πρέπει να λαμβάνει γρήγορα δείγματα θέσης και χρόνου για να αποφευχθούν σφάλματα. Οι καθυστερημένες ή ελλιπείς μετρήσεις του αισθητήρα μπορεί να οδηγήσουν σε λανθασμένο χρονισμό της λειτουργίας των μηχανικών εξαρτημάτων, ακόμη και να προκαλέσουν συγκρούσεις μεταξύ μηχανικών εξαρτημάτων, με αποτέλεσμα απροσδόκητες διακοπές λειτουργίας και απώλεια παραγωγικότητας.
Το σύστημα DAQ υψηλής ακρίβειας υποστηρίζει επίσης προγνωστική συντήρηση. Για παράδειγμα, μη φυσιολογική ταχύτητα ή σφάλμα θέσης μπορεί να υποδηλώνει πρόβλημα, όπως φθορά ρουλεμάν ή ολίσθηση του ιμάντα. Αναλύοντας αυτά τα σήματα, οι σχεδιαστές μπορούν να εντοπίσουν πιθανά σφάλματα εκ των προτέρων και να αποφύγουν λειτουργικές διακοπές.
Απαιτήσεις για DAQ υψηλής ταχύτητας
Για να ικανοποιηθούν αυτές οι απαιτήσεις εφαρμογής, τα συστήματα DAQ πρέπει να διαθέτουν τα ακόλουθα βασικά χαρακτηριστικά απόδοσης:
Δειγματοληψία υψηλής ταχύτητας και υψηλής ανάλυσης: Η αποτύπωση λεπτών κινήσεων, όπως αλλαγές θέσης σε επίπεδο κάτω του χιλιοστού, απαιτεί τόσο υψηλούς ρυθμούς δειγματοληψίας όσο και ανάλυση υψηλής ακρίβειας. Η δειγματοληψία στην περιοχή των megahertz (MHz) διασφαλίζει ότι δεν χάνονται κρίσιμα συμβάντα ακόμη και σε περιβάλλοντα υψηλής ταχύτητας.
Ταυτόχρονη δειγματοληψία πολλαπλών καναλιών: Για να συντονιστεί η λειτουργία του ρομποτικού βραχίονα και του μεταφορικού ιμάντα, είναι απαραίτητο να συλληφθούν τα αντίστοιχα δεδομένα θέσης και χρόνου ταυτόχρονα, αντί να συλληφθούν διαδοχικά. Η προσπάθεια συσχέτισης ροών δεδομένων που καταγράφονται διαδοχικά μπορεί να οδηγήσει σε σφάλματα, όπως η επιλογή λάθος στοιχείου στον μεταφορικό ιμάντα ή η πλήρης έλλειψη αυτού του στοιχείου.
Ευέλικτη υποστήριξη κωδικοποιητή: Τα βιομηχανικά συστήματα χρησιμοποιούν συχνά εξαρτήματα από διαφορετικούς προμηθευτές, με αποτέλεσμα μεικτούς τύπους σημάτων κωδικοποιητή. Το σύστημα DAQ θα πρέπει να υποστηρίζει πολλαπλές λειτουργίες κωδικοποιητή για να αποφευχθεί η προσθήκη λογικής διεπαφής.
Βιομηχανικός σχεδιασμός: Τα βιομηχανικά περιβάλλοντα μπορούν να εκθέσουν τις ηλεκτρονικές συσκευές σε σκληρές συνθήκες όπως ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, κραδασμούς και υψηλές θερμοκρασίες. Επομένως, προκειμένου να διασφαλιστεί η αξιόπιστη λειτουργία του συστήματος και να αποφευχθούν οι αστοχίες του συστήματος, πρέπει να χρησιμοποιηθεί κατάλληλο υλικό DAQ.
Επεκτασιμότητα: Τα συστήματα DAQ θα πρέπει να υιοθετούν αρθρωτό σχεδιασμό, επιτρέποντας στους σχεδιαστές να επεκτείνουν εύκολα το σύστημα προσθέτοντας περισσότερα κανάλια ή διαφορετικούς τύπους εισόδων. Αυτό σημαίνει ότι ακόμη και καθώς οι εγκαταστάσεις αυτοματισμού συνεχίζουν να επεκτείνονται, μπορεί να εξασφαλιστεί η ενσωμάτωση νέων ρομπότ, αισθητήρων και γραμμών παραγωγής.
Για την κάλυψη αυτού του ποικίλου φάσματος αναγκών, είναι απαραίτητο να αντιμετωπίσουμε τις σημαντικές σχεδιαστικές προκλήσεις που το συνοδεύουν. Αν και πολλά DAQ είναι εξαιρετικά κατάλληλα για τη γενική απόκτηση δεδομένων, τα κριτήρια εφαρμογής που περιλαμβάνουν υψηλή ταχύτητα, σύγχρονη κίνηση απαιτούν εξειδικευμένο υλικό.
Προηγμένη τεχνολογία μέτρησης θέσης και χρόνου για συστήματα ελέγχου κίνησης
Η μονάδα μετρητή/χρονομετρητή κωδικοποιητή υψηλής ακρίβειας iDAQ-784 (Εικόνα 1) που κυκλοφόρησε από την Advantech έχει σχεδιαστεί ειδικά για να πληροί αυτές τις απαιτήσεις. Αυτή η μονάδα παρέχει τέσσερα καθολικά κανάλια κωδικοποιητή 32-bit, τα οποία μπορούν να υποστηρίξουν τη σύγχρονη μέτρηση θέσης και χρόνου σε βιομηχανικά συστήματα. Αυτή η μονάδα υποστηρίζει συχνότητες εισόδου έως και 10 MHz για την επίτευξη ακριβούς χρονισμού των σημάτων κωδικοποιητή.
Μονάδα μετρητή/χρονομετρητή κωδικοποιητή iDAQ-784 της Advantech
Εικόνα 1: Η μονάδα μετρητή/χρονομετρητή κωδικοποιητή iDAQ-784 υποστηρίζει την ταυτόχρονη λήψη δεδομένων σε τέσσερα κανάλια 32 bit, καθιστώντας την κατάλληλη για πολύπλοκες βιομηχανικές εφαρμογές ελέγχου κίνησης. (Πηγή εικόνας: Advantech)
Η ενσωματωμένη λειτουργία φιλτραρίσματος ψηφιακού σήματος μπορεί να βοηθήσει το iDAQ-784 να επιτύχει καθαρότερη μετάδοση σήματος και μεγαλύτερη ακρίβεια μέτρησης. Αυτό παρέχει δυνατότητες χαρακτηρισμού σε επίπεδο συστήματος υψηλής ακρίβειας για προηγμένες εφαρμογές αυτοματισμού, όπως βιομηχανικά ρομπότ, συστήματα ελέγχου κίνησης και συστήματα μεταφοράς υψηλής ταχύτητας.
Τρόποι εισόδου, μέτρησης και εξόδου του κωδικοποιητή
Το IDAQ-784 υποστηρίζει πολλαπλούς τύπους σημάτων εισόδου και τρόπους μέτρησης για την κάλυψη διαφορετικών αναγκών βιομηχανικού ελέγχου κίνησης. Κάθε κανάλι μετρητή υποστηρίζει μονού άκρου και διαφορικές εισόδους, με εύρος τάσης κοινής λειτουργίας ± 15 VDC. Αυτή η ενότητα υποστηρίζει τρεις βιομηχανικούς κωδικοποιητές για μέτρηση θέσης:
Ορθογώνια (φάση Α/Β): Με τη χρήση δύο καναλιών σήματος (φάση Α και φάση Β) με διαφορά φάσης 90 °, η θέση και η κατεύθυνση προσδιορίζονται συγχρονισμένα. Η συγκεκριμένη μέθοδος κωδικοποίησης (X1, X2 ή X4) καθορίζει την ανάλυση μετρώντας τον αριθμό των ακμών που ανεβαίνουν ή/και πέφτουν, όπου το X4 έχει ανάλυση τετραπλάσια από εκείνη του X1.
Διπλός παλμός (CW/CCW): Οι παλμοί δεξιόστροφα (CW) και αριστερόστροφοι (CCW) χρησιμοποιούν ξεχωριστές γραμμές εισόδου. Ο μετρητής αυξάνεται κάτω από τον παλμό CW και μειώνεται κάτω από τον παλμό CCW.
Κατεύθυνση παλμού (signed pulse): Το ένα σήμα χρησιμοποιείται για τη δημιουργία παλμού, ενώ το άλλο σήμα υποδεικνύει την κατεύθυνση. Ο μετρητής αυξάνεται ή μειώνεται με βάση την κατάσταση του κατευθυντικού σήματος.
Κάθε είσοδος κωδικοποιητή μπορεί να χρησιμοποιεί καλωδίωση με ένα άκρο ή διαφορικό και να παρέχει μια είσοδο σήματος Z για επαναφορά θέσης. Κάθε κανάλι μέτρησης υποστηρίζει επίσης πολλαπλές λειτουργικές λειτουργίες για χρονισμό και παραγωγή παλμών:
Καταμέτρηση συμβάντων: Μετρήστε την ανερχόμενη ή καθοδική άκρη του σήματος εισόδου, με προαιρετική λειτουργία πύλης.
Μέτρηση συχνότητας: Μετρήστε με ακρίβεια τη συχνότητα του σήματος χρησιμοποιώντας τη μέθοδο αντίστροφου κύκλου ή τη μέθοδο μέτρησης παλμών.
Μέτρηση πλάτους παλμού: μετρά τη διάρκεια υψηλών και χαμηλών επιπέδων ενός ψηφιακού σήματος.
Μέτρηση θέσης: Παρακολουθήστε τη θέση του κωδικοποιητή χρησιμοποιώντας τις υποστηριζόμενες λειτουργίες εισόδου που αναφέρονται παραπάνω.
Συνεχής σύγκριση (σύγκριση θέσης): Όταν επιτευχθεί το όριο θέσης, ενεργοποιείται ένας παλμός εξόδου ή μια διακοπή.
Ενιαία σκανδάλη (καθυστερημένη παραγωγή παλμού): Μετά την ενεργοποίηση της πύλης και μια καθορισμένη καθυστέρηση, εξάγετε έναν μόνο παλμό.
Timer/Pulse Generation: Έξοδος συνεχούς παλμού με λειτουργία υποστήριξης διακοπής.
Διαμόρφωση πλάτους παλμού (PWM): έξοδος κυματομορφών με προγραμματιζόμενη διάρκεια υψηλού και χαμηλού επιπέδου. Υποστηρίζει περιορισμένη ή συνεχή παραγωγή.
Αυτή η εκτεταμένη επιλογή τρόπου λειτουργίας εξασφαλίζει συμβατότητα με διάφορες κοινές συσκευές σε βιομηχανικά συστήματα.
Ειδικά σχεδιασμένο για βιομηχανικά περιβάλλοντα
Το iDAQ-784 και το περιβάλλον του οικοσυστήματος έχουν σχεδιαστεί για να επιτυγχάνουν υψηλή αξιοπιστία σε σκληρά βιομηχανικά περιβάλλοντα. Το ονομαστικό εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας αυτής της μονάδας είναι -40 ° F έως 158 ° F, με σχετική υγρασία έως και 90% (χωρίς συμπύκνωση).
Επιπλέον, αυτή η μονάδα έχει σχεδιαστεί ειδικά για να αντιστέκεται σε κοινές ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές σε εργοστασιακά περιβάλλοντα. Το ενσωματωμένο ψηφιακό φίλτρο σήματος του μπορεί να βελτιώσει την ευκρίνεια του σήματος και κάθε κανάλι υποστηρίζει διαφορική είσοδο σήματος, επιτυγχάνοντας εξαιρετική απόδοση καταστολής θορύβου κοινής λειτουργίας.
Αυτή η σχεδιαστική ιδέα επεκτείνεται επίσης στα αξεσουάρ οικοσυστήματος, τα οποία υιοθετούν στιβαρά και ανθεκτικά σχέδια που συμμορφώνονται με τα πρότυπα σιδηροτροχιών DIN και μπορούν να εγκατασταθούν αξιόπιστα σε βιομηχανικά ερμάρια. Με τον ισχυρό συνδυασμό περιβαλλοντικής ανοχής, αντοχής στο θόρυβο και ισχυρής φυσικής ολοκλήρωσης, μπορεί να πραγματοποιηθεί ανάλυση χαρακτηριστικών επιπέδου συστήματος υψηλής ακρίβειας σε προηγμένες εφαρμογές αυτοματισμού.
Κατασκευή ενός συστήματος DAQ υψηλής ταχύτητας και υψηλής ακρίβειας
Το πρώτο βήμα για την κατασκευή ενός DAQ είναι η σύνδεση των αισθητήρων. Αρχικά, συνδέστε τα καλώδια του αισθητήρα στους ακροδέκτες καλωδίωσης. Η μονάδα διασύνδεσης ADAM-3937-BE της Advantech (Εικόνα 2) είναι μια έτοιμη λύση για το σκοπό αυτό. Αυτή η μονάδα 37 ακίδων έχει σχεδιαστεί ειδικά για εγκατάσταση ράγας DIN, με διαστάσεις 87,2 mm x 112,5 mm x 51 mm και μπορεί εύκολα να ενσωματωθεί με την τυπική βιομηχανική υποδομή συμβατή με DB37.