ساده سازی اتوماسیون مبتنی بر کنترلر و اتوماسیون مبتنی بر درایو

نوآوری های قدرتمند مبتنی بر کنترلر و درایو برای توسعه کاربردهای حرکتی و یکپارچه سازی, گزینه های کنترل حرکت را ارائه می کند.

برخ از عصر دیجیتال بعنوان انقلاب یاد می کنند, با این حال تاریخ بلند مدت اتوماسیون تولید, یک تکامل و انقلاب تکنولوژیکی را نشان می دهد. از دید چشم انداز همواره در حال تکامل, شرایط مورد نیاز برای کنترل سرعت درایو موتور الکتریکی, دقت, ایمنی, مقیاس پذیر و راندمان ثابت باقی می ماند. اینها نشانه های ماشین ها و ربات های ابداعی جدید هستند.

میزان به کار گیری کنترل صنعتی و اتوماسیون در سالهای اخیر خارق العاده بوده است, طوری که تقریبا تمام کارخانجات امروزه از ربات های کنترل حرکت و تکنولوژی های ماشین برای افزایش بهره وری استفاده می کنند. چشم اندازها نشان می دهند که صنعت رباتیک جهانی تا بیش از ۲۰۰ بیلیون دلار تا سال ۲۰۲۰ توسعه خواهد یافت ( منبع MarketsandMarkets, 2016). بازارهای جهانی پویا و مدلهای زنجیره ای با چرخه های تولید کوتاه تر, نیازمند مهارت بیشتری برای کاهش زمان ساخت ماشین و یکپارچه سازی سیستم های آماده ساخت می باشند.

ماشین هایی با برنامه نویسی پارامتریک, بهینه سازی خودکار و سیستم های کنترل حرکت با استفاده از ماژولهای نرم افزاری و هوشمندی داخلی, اتوماسیون را بسیار انعطاف پذیر تر و موثرتر کرده اند. یک مطالعه جدید ( Quest Technomarketing, آلمان) نشان می دهد که نیمی از تمام مهندسین مکاترونیک بر ماشین های هوشمند ماژولار تکیه دارند.

نوآوری های اخیر, کار را ساده تر می کنند, مدیریت پیچیدگی, بالاترین اولویت سازندگان ماشین, مونتاژ کنندگان و اپراتورها است. ابزارهای جامعی برای غلبه بر پیچیدگی های اتوماسیون و کنترل ماشین وجود دارد. تکنولوژی های چابک و مقیاس پذیر درایو, کنترل حرکت موثر را قدرت می بخشند و امکان کنترل دقیق سرعت, ایمن و قابل تشخیص را ممکن می سازند. سیستم های رابط انسان- ماشین (HMI), ارتباطات شبکه و دیگر ویژگی های پیشرفته به سازندگان ماشین آزادی عمل در طراحی, برقراری ارتباط, برنامه نویسی و اتصال سریع تر ماشین ها را می دهند.

توپوگرافی کنترل ماشین دیکته میکند که  چگونه یک موتور یا چند موتور, یک یا چند محور را حرکت دهند. هر کاربردی, الزامات کنترل حرکتی خود را خواهد داشت. انتخاب بین کنترل ماشین مبتنی بر درایو یا کنترلر,  یک تصمیم کلیدی برای طراحی است. اساسا, این انتخاب بستگی به این دارد که آیا سرعت و مکان یابی هر محور توسط درایو کنترل شود یا یک کنترلری که آن تصمیمات را میگیرد؟ در عین حالیکه این انتخاب برای برخی از کاربردها ممکن است واضح باشد, گزینه های متعددی نیز می تواند وجود داشته باشد. بنابراین, توجه دقیق به نقاط قوت و محدودیت هر دو کنترل متمرکز و غیر متمرکز بسیار مهم است.

اتوماسیون مبتنی بر کنترلر

یک سیستم اتوماسیون مبتنی بر کنترلر از یک کنترلر اصلی و تجهیزات درایو موتور که با کمک یک فیلدباس به آن وصل شده است,  تشکیل یافته است. در این طرح, هوشمندی در خود کنترلر اصلی نهفته است که به طور پیوسته به چندین درایو منتقل می شود تا بتواند دقیقا موقعیت هرکدام را در زمانهای لازم مشخص کند.

یک کنترلر حرکت اصلی معمولا چند درایو را در یک نرخ اسکن ۱ میلی ثانیه کنترل می کند, در حالی که یک طرح مبتنی بر درایو به طور نرمال اطلاعات منطقی را با نرخی بسیار آهسته تر توسط یک PLC دریافت می کند. ماشین های بسته بندی کوچک یا صنایع غذایی و آَشامیدنی عموما مبتنی بر کنترلر هستند, چرا که درایوها عمدتا نیازمند توان نسبتا کمی برای محورهای دینامیک بالا می باشند. اگر یک ماشین بیش از چهار محور مبتنی بر کنترلر داشته باشد, هزینه تمام شده هر محور کاهش می یابد. بنابراین, ماشین های مبتنی بر کنترلر با چند محور می توانند از مزیت کاهش هزینه بهره ببرند.

یک طرح قدرتمند مبتنی بر کنترلر نیز می تواند قابلیت انعطاف پذیری بیشتری را برای اجرای کاربردهای چند محوره (از چهار محور تا کل یک کارخانه با ۱۰۰ محور یا بیشتر) با چند کنترلر را فراهم کند. در اکثر حالات, کاربردهای مبتنی بر کنترلر بین چهار تا بیست محور, تنها با استفاده از یک کنترلر اجرا می شوند. رباتیک و کاربردهای ماشین با سه یا چهار محور می توانند خارج از کنترلر اصلی برای تدارک حرکت هماهنگ شده دقیق اجرا شوند. حرکت هماهنگ شده برای ربات ها با استفاده از بیش از دو محور می تواند مبتنی بر کنترلر باشد تا ضمانت دقت لازم در عملکرد بسته بندی را ایجاد کند.

برای مثال, یک ربات نوع دلتا باید سه محور بیرونی و یک محور چهارم برای برداشتن محصولات از روی نوار نقاله  و سازماندهی آنها در یک نوار نقاله بیرونی داشته باشد. کنترلر اصلی باید به طور همزمان هر ۶ محور را برای جریان تولید یکنواخت هدایت کند. در سناریویی دیگر, یک طرح مبتنی بر کنترلر می تواند یک ماشین نورد فلز چهار محور را برای تولید ناودان های فلزی هدایت کند. یک ماشین می تواند به تنهایی تمام کارهای مورد نیاز را برای نورد و شکل دهی فلز مسطح قبل از  تبدیل چند مرحله به لوله فواره و مکان دهی دقیق برای جبران افست شکل S در بالا و جمع کردن C شکل در پایین, انجام دهد. در مثال دیگر, یک ماشین ۱۰ محوره مبتنی بر کنترلر می تواند برای ساخت لوله آبیاری پلاستیکی به کار رود, که در آن مواد لوله بارها و بارها در یک ناحیه شامل تیغه ها در هر طرف برای برش سوراخ های آبیاری درون ماده در بازه های تعیین شده, ایندکس شده و سوراخکاری میشود.

اتوماسیون مبتنی بر درایو متمرکز در مقایسه با اتوماسیون غیر متمرکز

برخلاف درایوهای مبتنی بر کنترلر که بدون فرمان کنترلر نمیتوانند کار کنند, یک طرح مبتنی بر درایو, هوشمندی را در داخل خود درایو فراهم میکند. درایوهای متمرکز و غیر متمرکز با هوشمندی تعبیه شده, میتوانند با کنترل های داخلی, کنترل های دیجیتال و یا ورودی های دیگر بصورت مستقل کار کنند.

یک طرح متمرکز مبتنی بر درایو یک انتخاب برای کاربردهای سنکرون مثل پیچاندن (رول, منسوجات, فیلم, کابل و … ), مکان یابی و تغییر سرعت الکترونیکی بشمار می رود. درایوهای با هوشمندی پیشرفته داخلی, علاوه بر قابلیت برقراری ارتباط مابین درایوها, قابلیت انجام محاسبات پیچیده و تصمیمات منطقی را برای انجام عملیات سنکرون را دارند. در این گونه موارد, نزدیکی موتورها به تابلوی کنترل اصلی یک مزیت بشمار می رود چرا که تمامی کنترل ها و توزیع انرژی برق در یک مکان بوده و براحتی میتوانند مانیتور شده و نگهداری شوند.

کنترل مبتنی بر درایو اغلب برای کارکرد ماشین آلات بزرگتر که انرژی بیشتری نیاز دارند (مانند دستگاههای چاپ و سایر کاربردهای مبدل که مراحل متعددی نیاز دارند), در نظر گرفته می شود. تغییر سرعت الکترونیکی بایستی مابین واحدهای مختلف چاپ اتفاق بیافتد, بنابراین بسیار حیاتی است که درایوها بتوانند با همدیگر ارتباط برقرار کرده و در سرعتهای  درست, متناسب با هم کار کنند.

کنترل سنکرون مبتنی بر دستگاه یک انتخاب مشترک برای پردازش مواد پیوسته نظیر کاغذ, فیلم, فویل و یا منسوجات است. امکان دارد یک PLC برای کنترل سرعت و استارت – استوپ درایوها نیز بکار گرفته شود. هوشمندی در یک سیستم مبتنی بر درایو میتواند میان درایو و یک PLC در حال حرکت باشد. با وجود این, درایوهای با هوشمندی داخلی که لاجیک و ارتباطات بین درایوها را در خود دارند برای کارکردهای سنکرون مورد استفاده قرار میگیرند. در تغییر سرعت الکترونیکی, یک درایو مستر موقعیت خود را به تمامی درایوهای دیگر که از موقعیت آن تبعیت می کنند, انتقال می دهد.

سایر کاربردها نیز میتوانند از هوشمندی داخلی درایوها بهره ببرند. مثل کاربردهای پیچاندن (رول, سیم, پارچه و …) و یا بازکردن آنها توسط ماشین آلاتی  که سرعت ثابت خطی و کنترل کشش ثابتی نیاز دارند. کشش اضافی و یا شل کردن بیش از حد میتواند باعث خرابی و حتی تغییر شکل مواد شود. کنترل کشش نیازمند تغییرات افزایشی آرام در سرعت پیچش یا بازکردن مواد با در نظر گرفتن تغییرات در کاهش قطر مواد رول شده در هر دو طرف می باشد. یک درایو با هوشمندی داخلی از یک محاسبه گر داخلی برای رصد پیوسته سرعت نسبت به قطر برای تنظیم سرعت پیچیش یا بازکردن آن بصورت لحظه ای بهره می برد.

کنترل CAM, کاربردی دیگر است که نیازمند هماهنگی بین محورها می باشد. برای آنکه یک دستگاه بتواند بطور دقیق برش نماید, هنگامی که ماده روی سطح و قطعه برش دهنده بهم می رسند, بایستی دقیقا با یک سرعت حرکت کنند. در غیر اینصورت, قسمتی از خود مواد ممکن است بصورت زیگزاگ برش داده شود و یا پاره شوند. برای مثال بدست آوردن هماهنگی دقیق میان یک چاقوی میله ای برش دهنده و مواد, در حالیکه هر دو در سرعت های متغیر کار میکنند نیازمند مهارت است.  مثلا, موقعی که محیط میله چاقو بزرگتر از طول برش باشد, هنگامیکه در حوالی مواد حرکت می کند, معمولا لازم است که سرعت کاتر افزایش داده شود و وقتی به ناحیه برش می رسد, بایستی سرعت آن تا سرعت مواد پایین بیاید و برش انجام پذیرد. منطق و همگاهنگ سازی باید بطور پیوسته میان درایوها در معماری مبتنی بر کنترلر یا درایو انجام پذیرد.

در برخی موارد, اندازه ماشین, استفاده از کنترل مبتنی بر درایو غیر متمرکز را الزامی میکند. کابل های طولانی موتور از تابلوی کنترل را می توان با آوردن انرژی برق به درایوهای غیر متمرکز بصورت سری  و  یا تغذیه پاور از منبع دیگری غیر از تابلوی کنترل حذف نمود.  اینورترهای مبتنی بر درایوهای غیر متمرکز میتوانند ماشین های پیچیده و حتی بزرگ را قادر سازند تا بصورت خیلی واضح ساخته شوند که آنهم به نوبه خود در کاربردهایی مثل صنعت خودرو, تدارکات داخلی و یا سایر صنایع میتواند سودآور باشد.

ابزارهای یکپارچه سازی کنترل

ابزارهای نرم افزاری کاربردی برای تهیه توابع کنترل حرکتی آماده و مدولار با بکارگیری اینترفیسهای استاندارد شده قابل تغییر وجود دارند. وظایف استاندارد ماشین همانند برش مقطعی و پیچاندن و ماژول های کامل روباتیک میتوانند خیلی سریع اجرا شوند. کاربردهای روباتیک مثل حرکتهای انتخاب و جاگذاری با تنظیمات ساده بدون نیاز به دانش روباتیک که نتیجتا میتواند موجب کاهش تقاضا برای منابع طراحی و مهنسی گردند, برنامه ریزی می شوند.

راه حلهایی که روی تکنولوژی برنامه ریزی پارامتربندی شده استوارند, بمقدار زیادی کنترل حرکت و توسعه ماشین را از ایده تا پیاده سازی ساده می کنند. برنامه نویسی پارامتری امکان پیاده سازی ساده تر نسبت به برنامه نویسی معمول فراهم می کنند. جایگزینی برنامه نویسی پیچیده با ابزارهای نرم افزاری پیکربندی یکسان بطور قابل ملاحظه ای زمان مهندسی و الزامات فنی را کاهش داده و کارهای اضافی را که مورد افزایش هزینه می شوند, حذف میکند. با آوردن یک درایو هوشمند آنلاین توسط قطعات مدولار و ابزارهای مهندسی, دیگر نیازی به آموزش خاصی نیست. همین امر موجب می شود تا ماشین سازان, آزادی بیشتری برای تمرکز روی قطعات خود روی پروژه هایشان داشته باشد که همین امر باعث بیشتر رقابتی شدن محصولات آنها می شود.

سیستمهای اتوماسیون مدولار برای کنترل مبتنی بر تجهیزات میتواند بمقدار زیادی اتوماسیون و یکپارچه سازی ماشین را ساده نماید. افزایش انحصاری کردن کنترل ماشین, چالشهایی برای تطبیق زمانهای مرده و سیکل های طراحی با بهره وری با خود بهمراه می آورد. زمان های طراحی کوتاه موقعی میتواند بدست آید که ماشین تا جایی که ممکن است آسان کارکند و آنهم نیازمند مفاهیم کارکرد ساده برای اپراتورها است.

یک اندازه برای همه کاربرد ندارد

صنعت تولید همواره دنبال بدست آوردن سودهای کلان از پیشرفتهای اتوماسیون است. توسعه راه حل اتوماسیون پشت سر هم, یک رویکرد حرکت محور و جامعی است. در نهایت, عملکرد ماشین, معماری کنترل و درایو را دیکته می کند. برحسب پیچیدگی کنترل درایو, شعار “نه زیاد و نه کم” مورد نیاز خواهد بود و همین امر شروع به شناسایی گزینه های شما می کند.

انتخابهایی که در طول فاز طراحی انجام می شوند, عملکرد ماشین را در چرخه طول عمر تحت تاثیر قرار خواهند داد. فرایند طراحی نیازمند آنست که با آزمایش وظایف کنترل حرکتی مورد نظر شروع شود, ایده های اولیه را شکل دهد و مراحل استراتژیک برای انتخاب ابزارهای درست بمنظور توسعه یک مفهوم پایدار و هوشمند منطبق با وظایف اپلیکیشن را طی کند. هیچ طرح کنترل درایوی که برای همه اندازه ها و تمامی ماشین ها پاسخگو باشد, وجود ندارد. با این وجود, تکنولوژی های پیشرفته, راه حل های قدرتمند و هوشمندی را به ارمغان آورده اند که میتوانند برای انتخاب های بهتر مورد استفاده قرار گیرند.

نویسنده: Craig Dahlquist, مهندس کاربردی در شرکت لنز آمریکا

این مطلب در اتوماسیون کاربردی برای مهندسی کنترل و مهندسی کارخانه آورده شده است.

ترجمه: لاله زار آنلاین