Независимо от того, модернизируют ли инженеры машины, ориентированные на движение, или проектируют новые, важно, чтобы они начинали с подхода контроля движения. Затем они могут разработать решение вокруг наилучшего способа получить эффективную и действенную автоматизацию.
Машины на основе движений должны быть спроектированы и построены вокруг их основных функций. Например, для печатной машины, которая использует определенный набор приложений для намотки, разработчики должны сосредоточиться на критических деталях и разработать остальную часть производственной машины для поддержки основных функций.
Это звучит как Design Engineering 101, но с учетом того, что время выхода на рынок и команды традиционно делятся на отделы механики, электрики и программного обеспечения, проектированию легко вернуться к линейному процессу в значительной степени. Проектирование с учетом управления движением, однако, требует подхода мехатроники, который включает разработку начальных концепций, определение топологии системы и машинного подхода, 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 проектирования рабочей машины в целом, чтобы снизить неэффективность, ошибки и затраты, а также дать производителям оборудования возможность решать проблемы клиентов за меньшее время.
Процесс проектирования
Как и где перемещаются детали? Инженеры обычно тратят большую часть своих усилий именно на эти решения, особенно при разработке инновационных изделий. Хотя инновационные сборки, безусловно, отнимают больше всего времени, они часто предлагают наибольшую рентабельность инвестиций, особенно если команды используют новейшие достижения в области виртуального проектирования и модульных конструкций.
Первый шаг при разработке производственных механизмов с нуля — спросить: каковы их важнейшие функции? Это может быть создание машины, которая легко очищается, требует минимального обслуживания или отличается высокой точностью. Определите технологию, которая обеспечит требуемые функции, производительность или уровень обслуживания.
Чем сложнее проблема, которую необходимо решить, тем сложнее будет определить наиболее жизненно важные функции. Подумайте о сотрудничестве с поставщиком систем автоматизации, ориентированным на движение, который может помочь определить важные детали и определить правильный подход.
Использование модульного оборудования и открытого программного кода для обработки инженерных требований к стандартным функциям значительно сокращает количество проектных ресурсов, необходимых для завершения проекта. В нем также используются проверенные временем функции, повышающие надежность и позволяющие сосредоточиться на более сложных частях конструкции.
Работа с партнером по управлению движением, который может предоставлять стандартные функции с помощью модульного оборудования и программного обеспечения, означает, что вы можете сосредоточиться на дополнительных функциях, которые выделяют ваш продукт среди продуктов конкурентов.
В стандартном промышленном проекте инженеры-механики создают конструкцию машины и ее механические компоненты; инженеры-электрики добавляют электронику, включая электроприводы, силовые кабели и элементы управления; а затем программисты пишут код. Каждый раз, когда возникает ошибка или проблема, проектной команде приходится возвращаться и исправлять ее. Так много времени и энергии в процессе проектирования тратится на переделку решений на основе изменений или ошибок. К счастью, проектирование механики с помощью программного обеспечения САПР, а также разрозненное планирование и проектирование почти ушли в прошлое.
Сегодня виртуальный инжиниринг позволяет командам проектировать, как машины будут работать, используя несколько параллельных путей, что значительно сокращает цикл разработки и время вывода на рынок. Создавая цифрового двойника (виртуальное представление машины), каждый отдел может работать самостоятельно и разрабатывать детали и элементы управления одновременно с остальной командой.
Цифровой двойник позволяет инженерам быстро тестировать различные конструкции машины, а также новые технологии и подходы. Например, возможно, процесс требует подачи материала в механизм до тех пор, пока не будет собрано желаемое количество, а затем материал будет разрезан. Это означает, что вы должны найти способ останавливать подачу, когда нужно разрезать материал. Есть несколько способов справиться с этой проблемой, и все они могут повлиять на работу всей машины. Испытывать различные средства защиты или перемещать компоненты, чтобы увидеть, как это влияет на работу, с цифровым двойником очень просто и приводит к более эффективному (и меньшему) созданию прототипов.
Виртуальный инжиниринг позволяет всем командам разработчиков увидеть, как вся машина и ее пересекающиеся концепции работают вместе для достижения определенной цели или задач.
Выбор топологии
Сложные конструкции с несколькими функциями, более чем одной осью движения и многомерным движением, а также более быстрый вывод и пропускная способность делают топологию системы столь же сложной. Выбор между централизованной автоматизацией на основе контроллера или децентрализованной автоматизацией на основе приводов зависит от проектируемой машины. То, что делает машина, как общие, так и локальные функции, влияет на то, выберете ли вы централизованную или децентрализованную топологию. На это решение также влияют размер корпуса, размер машины, условия окружающей среды и даже время установки.
Централизованная автоматизация
Лучший способ получить скоординированное управление движением для сложных машин — это автоматизация на основе контроллеров. Команды управления перемещением обычно пересылаются на определенные сервоусилители через стандартизированную шину реального времени, такую как EtherCAT, а инверторы управляют всеми двигателями.
С помощью автоматизации на основе контроллера несколько осей движения могут быть скоординированы для выполнения сложной задачи. Это идеальная топология, если в основе машины лежит движение и все части должны быть синхронизированы. Например, если для каждой оси движения критически важно находиться в определенном месте для правильного позиционирования робота манипулятора, вы, скорее всего, выберете автоматизацию на основе контроллера.
Децентрализованная автоматизация
При использовании более компактных машин и машинных модулей децентрализованное управление перемещениями снижает или устраняет нагрузку на органы управления машиной. Вместо этого частотно-регулируемые электроприводы меньшей мощности берут на себя децентрализованное управление, система ввода-вывода оценивает 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 отчитываться перед централизованным управлением. Вместо этого каждая часть производственной установки работает быстро и независимо, отчитываясь только после выполнения своей задачи. Поскольку каждое устройство обрабатывает свою собственную нагрузку в такой конфигурации, машина в целом может использовать преимущества более распределенной вычислительной мощности.
Централизованное и децентрализованное управление
Хотя централизованная автоматизация обеспечивает координацию, а децентрализованная — более эффективную распределенную вычислительную мощность, иногда лучшим выбором является их сочетание. Окончательное решение зависит от общих требований, включая цели, связанные с:
- Стоимость / ценность
- Пропускная способность
- Эффективность
- Надежность
- Безопасность
Чем сложнее проект, тем важнее иметь партнера по разработке систем управления движением, который может дать совет по различным аспектам. Когда производитель машин предлагает свое видение, а партнер по автоматизации — инструменты, тогда вы получаете лучшее решение.
Машинная сеть
Создание чистой и перспективной взаимосвязи также является ключевым шагом в проектировании с учетом управления движением. Протокол связи так же важен, как и расположение двигателей и приводов, потому что речь идет не только о том, что делают компоненты, но и о том, 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 с использованием промышленного протокола связи, такого как EtherCAT. Ethernet — не единственный выбор, но какой бы из них вы ни использовали, убедитесь, что у вас есть подходящие средства связи или шины, чтобы вы могли использовать общие протоколы. Выбор хорошей коммуникационной шины и наличие плана того, как все будет организовано, значительно упрощают будущие расширения.
Сосредоточьтесь на создании хорошего расположение элементов внутри шкафа управления с самого начала. Например, не размещайте блоки питания рядом с электронными компонентами, на которые могут влиять магнитные помехи. Компонент с большим током или высокой частотой могут создавать электрические помехи в проводах. Таким образом, держите высоковольтные компоненты вдали от низковольтных для более надежной работы. Кроме того, узнайте, соответствует ли ваша сеть уровню безопасности. В противном случае вам, скорее всего, потребуются проводные резервные соединения безопасности, чтобы в случае отказа одной из частей оборудования система обнаруживала отказ части оборудования и реагировала вовремя.
По мере распространения промышленных интернет вещей (IIoT) подумайте о добавлении дополнительных функций, которые вы или ваши клиенты могут игнорировать или «пугаться» в виду относительной новизны. Встраивание новых возможностей в оборудование означает, что позже его будет легче модернизировать.
Программное обеспечение
По отраслевым оценкам, производителям оборудования скоро придется тратить 50–60% времени на разработку оборудования, соответствующего требованиям программного обеспечения. Эволюция от упора на механику к упору на интерфейсы ставит более мелких производителей промышленного оборудования в невыгодное положение, но может также уравнять правила игры для компаний, желающих внедрить модульное программное обеспечение и стандартизированные открытые протоколы.
То, как организовано программное обеспечение, может расширить или ограничить возможности машины сейчас и в будущем. Как и модульное оборудование, модульное программное обеспечение повышает скорость и эффективность машиностроения.
Например, вы проектируете автоматизированную систему и хотите добавить дополнительный шаг между двумя фазами производственного процесса. Если вы используете модульное программное обеспечение, вы можете просто добавить компонент без перепрограммирования или перекодирования. А если у вас есть шесть разделов, выполняющих одно и то же, вы можете написать код один раз и использовать его во всех шести разделах.
Модульное программное обеспечение не только повышает эффективность проектирования, но и позволяет инженерам обеспечивать гибкость, необходимую клиентам. Например, предположим, что клиенту нужен механизм, на котором работают устройства разного размера, а одно из устройств требует радикального изменения в одной из секций. С помощью модульного программного обеспечения инженеры-конструкторы могут просто изменить секцию, не затрагивая остальные функции системы. Это изменение можно автоматизировать, чтобы изготовитель оборудования или даже заказчик мог быстро переключаться между функциями системы. Перепрограммировать нечего, потому что модуль уже находится в производственной машине.
Машиностроители могут предложить стандартную базовую машину с дополнительными функциями для удовлетворения уникальных требований каждого клиента. Разработка портфеля механических, электрических и программных модулей упрощает быструю сборку конфигурируемых продуктов.
Однако для максимальной эффективности модульного программного обеспечения важно соблюдать отраслевые стандарты, особенно если вы пользуетесь услугами нескольких поставщиков. Если поставщик электропривода и датчиков не соблюдает отраслевые стандарты, эти компоненты не могут взаимодействовать друг с другом, и вся эффективность модульности теряется при выяснении того, как соединить эти части оборудования.
Кроме того, если ваш клиент планирует подключить поток данных к облачной сети, важно, чтобы любое программное обеспечение создавалось с использованием стандартных отраслевых протоколов, чтобы производственный механизм мог работать с другими устройствами и взаимодействовать с облачными службами.
OPC UA и MQTT — наиболее распространенные стандартные программные архитектуры. OPC UA обеспечивает связь между производственными элементами, контроллерами, облаком и другими ИТ-устройствами почти в реальном 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 взаимодействовать друг с другом. Он часто используется в одном продукте, позволяя, например, датчику или диску извлекать информацию из продукта и отправлять ее в облако.
Облачная интеграция
Взаимосвязанные механизмы с обратной связью по-прежнему составляют большинство, но предприятия, полностью подключенные к облаку, становятся все популярнее. Эта тенденция может повысить уровень профилактического обслуживания и производства на основе данных и является следующим крупным изменением в заводском программном обеспечении — оно начинается с удаленного подключения.
Заводы и фабрики, объединенные в облачную сеть, анализируют данные о различных процессах, различных производственных линиях и многом другом для создания более полных представлений о производственном процессе. Это позволяет им сравнивать общую эффективность оборудования (OEE) различных производственных объектов. Передовые OEM-производители работают с проверенными партнерами по автоматизации, чтобы предложить готовые к облачным вычислениям машины с модульными возможностями промышленности 4.0, которые могут отправлять данные, необходимые конечным пользователям.
Для машиностроителей использование автоматизации управления движением и применение целостного, комплексного подхода к повышению эффективности промышленных предприятий или компаний клиентов обязательно принесет больше прибыли.
