Mitä laitevalmistajien ja suunnittelijoiden on tiedettävä moottoreista, taajuusmuuttajista ja ohjaimista.

Parantavatpa suunnittelijat sitten liikekeskeistä konetta tai rakentavat uuden, on tärkeää aloittaa liikkeenohjaus mielessä pitäen. Sitten he voivat kehittää suunnittelun tehokkaan ja toimivan automaation parhaan tavan ympärille.

Liikkeeseen perustuvat koneet tulisi suunnitella ja rakentaa niiden ydintoimintojen ympärille. Esimerkiksi painokoneessa, joka on riippuvainen tietyistä rullaussovelluksista, suunnittelijat keskittyisivät kriittisiin osiin ja kehittäisivät koneen muun osan tukemaan ydintoimintoja.

Tämä kuulostaa suunnittelun perusteilta, mutta markkinoilletuloaikojen paineiden ja perinteisesti mekaanisiin, sähkö- ja ohjelmisto-osastoihin eriytettyjen tiimien vuoksi suunnittelun on helppo palata pitkälti lineaariseen prosessiin. Liikkeenohjaus mielessä pitäen suunnittelu vaatii kuitenkin mekatronista lähestymistapaa, johon kuuluu alkuperäisten konseptien kehittäminen, järjestelmätopologian ja konelähestymistavan määrittäminen sekä liitäntärajapinnan ja ohjelmistoarkkitehtuurin valinta.

Tässä on joitakin moottoreiden, käyttöjen, ohjainten ja ohjelmistojen olennaisia ​​näkökohtia, jotka insinöörien tulisi ottaa huomioon jokaisen koneensuunnitteluprojektin alusta alkaen tehottomuuden, virheiden ja kustannusten vähentämiseksi samalla, kun laitevalmistajat voivat ratkaista asiakkaiden ongelmia lyhyemmässä ajassa.

【Suunnitteluprosessi】

Insinöörit käyttävät tyypillisesti suurimman osan suunnittelutyöstään siihen, miten ja missä osat liikkuvat, erityisesti innovatiivisia koneita kehitettäessä. Vaikka innovatiiviset kokoonpanot ovat ylivoimaisesti aikaa vievimpiä, ne tarjoavat usein suurimman sijoitetun pääoman tuoton, varsinkin jos tiimit hyödyntävät virtuaalisen suunnittelun ja modulaaristen suunnittelujen uusimpia tekniikoita.

Ensimmäinen askel koneen kehittämisessä tyhjästä on kysyä itseltään: Mitkä ovat koneen kriittiset toiminnot? Tarkoituksena voi olla tehdä kone, joka on helppo puhdistaa, vähän huoltoa vaativa tai erittäin tarkka. Tunnista teknologia, joka tarjoaa vaaditun toiminnon, suorituskyvyn tai huoltotason.

Mitä monimutkaisempi ratkaistava ongelma on, sitä vaikeampaa on määrittää tärkeimmät toiminnot. Harkitse yhteistyötä liikekeskeisen automaatiotoimittajan kanssa, joka voi auttaa määrittelemään kriittiset yksityiskohdat ja määrittämään oikean lähestymistavan.

Kysy sitten: Mitkä ovat koneen vakiotoiminnot? Pysyen aiemmassa painokoneesimerkissä, painettavan materiaalin purkamiseen käytettävät kireys- ja anturisäätimet ovat melko vakiomuotoisia. Itse asiassa noin 80 % uuden koneen tehtävistä on muunnelmia aiempien koneiden tehtävistä.

Modulaarisen laitteiston ja koodiohjelmoinnin käyttäminen vakiotoimintojen suunnitteluvaatimusten käsittelyyn vähentää merkittävästi projektin loppuun saattamiseksi tarvittavien suunnitteluresurssien määrää. Se käyttää myös ajan mittaan testattuja toimintoja, mikä lisää luotettavuutta ja antaa sinun keskittyä suunnittelun monimutkaisempiin osiin.

Yhteistyössä liikkeenohjauskumppanin kanssa, joka voi toimittaa vakiotoimintoja modulaarisella laitteistolla ja ohjelmistolla, voit keskittyä lisäarvoa tuottaviin ominaisuuksiin, jotka erottavat tuotteesi kilpailijoista.

Tyypillisessä suunnitteluprojektissa koneinsinöörit rakentavat koneen rakenteen ja sen mekaaniset komponentit; sähköinsinöörit lisäävät elektroniikan, mukaan lukien käyttölaitteet, johdot ja ohjaimet; ja sitten ohjelmistoinsinöörit kirjoittavat koodin. Joka kerta, kun ilmenee virhe tai ongelma, projektitiimin on palattava takaisin ja korjattava se. Suunnitteluprosessissa kuluu paljon aikaa ja energiaa suunnittelun uudelleen tekemiseen muutosten tai virheiden perusteella. Onneksi mekaniikan suunnittelu CAD-ohjelmistoilla ja siiloutunut suunnittelu ovat lähes menneisyyttä.

Nykyään virtuaalisuunnittelu antaa tiimien suunnitella koneiden toimintatavan useiden rinnakkaisten polkujen kautta, mikä lyhentää merkittävästi kehityssykliä ja markkinoilletuloaikaa. Luomalla digitaalisen kaksosen (koneen virtuaalisen esityksen) jokainen osasto voi työskennellä itsenäisesti ja kehittää osia ja ohjaimia samanaikaisesti muun tiimin kanssa.

Digitaalinen kaksonen antaa insinöörien testata nopeasti erilaisia ​​koneen malleja ja koneteknologioita. Esimerkiksi prosessi voi vaatia materiaalin syöttämistä koneen syöttöön, kunnes haluttu määrä on kerätty, ja sitten materiaali leikataan. Tämä tarkoittaa, että sinun on keksittävä tapa pysäyttää syöttö aina, kun materiaalia on leikattava. Tähän haasteeseen on useita tapoja vastata, ja ne kaikki voivat vaikuttaa koneen toimintaan. Digitaalisen kaksosen avulla on yksinkertaista kokeilla erilaisia ​​ratkaisuja tai siirtää komponentteja sen vaikutuksen selvittämiseksi toimintaan, ja se johtaa tehokkaampaan (ja vähemmän) prototyyppien valmistukseen.

Virtuaalinen suunnittelu antaa suunnittelutiimien nähdä, miten koko kone ja sen päällekkäiset konseptit toimivat yhdessä tietyn tavoitteen tai tavoitteiden saavuttamiseksi.

【Topologian valinta】

Monimutkaiset rakenteet, joissa on useita toimintoja, useampi kuin yksi liikeakseli ja moniulotteinen liike sekä nopeampi lähtö ja läpimenoaika, tekevät järjestelmätopologiasta aivan yhtä monimutkaista. Keskitetyn, ohjainpohjaisen automaation tai hajautetun, käyttöpohjaisen automaation välinen valinta riippuu suunniteltavasta koneesta. Koneen toiminnot, sekä sen yleiset että paikalliset toiminnot, vaikuttavat siihen, valitaanko keskitetty vai hajautettu topologia. Myös kaappitila, koneen koko, ympäristöolosuhteet ja jopa asennusaika vaikuttavat tähän päätökseen.

Keskitetty automaatio. Paras tapa saada koordinoitua liikkeenohjausta monimutkaisille koneille on ohjainpohjainen automaatio. Liikkeenohjauskomennot välitetään yleensä tietyille servovahvistimille standardoidun reaaliaikaisen väylän, kuten EtherCATin, kautta, ja taajuusmuuttajat käyttävät kaikkia moottoreita.

Ohjainpohjaisella automaatiolla useita liikeakseleita voidaan koordinoida monimutkaisen tehtävän suorittamiseksi. Se on ihanteellinen topologia, jos liike on koneen ytimessä ja kaikki osat on synkronoitava. Jos esimerkiksi on tärkeää, että jokainen liikeakseli on tietyssä paikassa robottikäsivarren oikean asennon saavuttamiseksi, valitset todennäköisesti ohjainpohjaisen automaation.

Hajautettu automaatio. Pienempien koneiden ja konemoduulien ansiosta hajautettu liikkeenohjaus vähentää tai poistaa koneen ohjainten kuormituksen. Sen sijaan pienemmät taajuusmuuttajakäytöt ottavat hajautetun ohjauksen vastuulleen, I/O-järjestelmä arvioi ohjaussignaalit ja tietoliikenneväylä, kuten EtherCAT, muodostaa kokonaisvaltaisen verkon.

Hajautettu automaatio on ihanteellinen silloin, kun yksi koneen osa voi ottaa vastuun tehtävän suorittamisesta eikä sen tarvitse jatkuvasti raportoida takaisin keskusohjaukselle. Sen sijaan jokainen koneen osa toimii nopeasti ja itsenäisesti ja raportoi takaisin vasta, kun tehtävä on valmis. Koska jokainen laite käsittelee omaa kuormitustaan ​​tällaisessa järjestelyssä, koko kone voi hyötyä hajautetummasta prosessointitehosta.

Keskitetty ja hajautettu ohjaus. Vaikka keskitetty automaatio tarjoaa koordinointia ja hajautettu tehokkaampaa hajautettua prosessointitehoa, molempien yhdistelmä on joskus paras vaihtoehto. Lopullinen päätös riippuu yleisistä vaatimuksista, mukaan lukien kustannukset/arvo, läpimenoaika, tehokkuus, luotettavuus ajan kuluessa ja turvallisuusvaatimukset.

Mitä monimutkaisempi projekti on, sitä tärkeämpää on, että liikkeenohjauksen suunnittelukumppani voi antaa neuvoja eri osa-alueista. Kun koneenrakentaja tuo vision ja automaatiokumppani työkalut, silloin saat parhaan ratkaisun.

【Koneiden verkottaminen】

Puhtaan ja tulevaisuudenkestävän yhteenliitettävyyden luominen on myös keskeinen askel liikkeenohjauksen suunnittelussa. Tiedonsiirtoprotokolla on aivan yhtä tärkeä kuin moottoreiden ja käyttölaitteiden sijainti, koska kyse ei ole vain komponenttien toiminnasta, vaan myös siitä, miten ne kaikki yhdistetään.

Hyvä suunnittelu vähentää johtimien määrää ja niiden kuljettaman matkan pituutta. Esimerkiksi etäpäätteeseen menevä 10–15 johtimen sarja voitaisiin korvata Ethernet-kaapelilla, joka käyttää teollisuusprotokollaa, kuten EtherCATia. Ethernet ei ole ainoa vaihtoehto, mutta riippumatta siitä, mitä käytät, varmista, että sinulla on oikeat tiedonsiirtotyökalut tai -väylät, jotta voit käyttää yleisiä protokollia. Hyvän tiedonsiirtoväylän valitseminen ja suunnitelma kaiken sijoittelusta helpottavat tulevia laajennuksia huomattavasti.

Keskity hyvään suunnitteluun kaapin sisällä alusta alkaen. Älä esimerkiksi aseta virtalähteitä lähelle elektronisia komponentteja, joihin magneettiset häiriöt voivat vaikuttaa. Suuria virtoja tai taajuuksia käyttävät komponentit voivat aiheuttaa sähköistä kohinaa johdoissa. Pidä siis korkeajännitteiset komponentit erillään matalajännitteisistä komponenteista parhaan toiminnan varmistamiseksi. Selvitä myös, onko verkkosi turvallisuusluokiteltu. Jos ei, tarvitset todennäköisesti kiinteästi kytkettyjä redundantteja turvaliitäntöjä, jotta jos yksi osa vikaantuu, se havaitsee oman vikansa ja reagoi.

Teollisen esineiden internetin (IIoT) yleistyessä kannattaa harkita sellaisten edistyneiden toimintojen lisäämistä, joita sinä tai asiakkaasi ette ehkä ole vielä aivan valmiita käyttämään. Ominaisuuksien rakentaminen koneeseen helpottaa koneen päivittämistä myöhemmin.

【Ohjelmisto】

Alan arvioiden mukaan ei kestä kauan ennen kuin laitevalmistajien (OEM) on käytettävä 50–60 % koneenkehitysajastaan ​​ohjelmistovaatimuksiin. Kehitys mekaniikkaan keskittymisestä käyttöliittymään keskittymiseen asettaa pienemmät koneenrakentajat kilpailuhaittaan, mutta se voi myös tasoittaa toimintaedellytyksiä yrityksille, jotka ovat halukkaita ottamaan käyttöön modulaarista ohjelmistoa ja standardoituja, avoimia protokollia.

Ohjelmistojen organisointitapa voi laajentaa tai rajoittaa koneen kykyjä nyt ja tulevaisuudessa. Kuten modulaarinen laitteisto, myös modulaarinen ohjelmisto parantaa koneenrakennuksen nopeutta ja tehokkuutta.

Oletetaan esimerkiksi, että suunnittelet konetta ja haluat lisätä ylimääräisen vaiheen kahden vaiheen väliin. Jos käytät modulaarista ohjelmistoa, voit yksinkertaisesti lisätä komponentin ilman uudelleenohjelmointia tai -koodausta. Ja jos sinulla on kuusi osiota, jotka kaikki tekevät samaa asiaa, voit kirjoittaa koodia kerran ja käyttää sitä kaikissa kuudessa osiossa.

Modulaarinen ohjelmisto ei ainoastaan ​​tehosta suunnittelua, vaan se myös antaa insinööreille mahdollisuuden tarjota asiakkaiden kaipaamaa joustavuutta. Oletetaan esimerkiksi, että asiakas haluaa koneen, joka käyttää erikokoisia tuotteita, ja suurin koko edellyttää muutosta yhden osan toimintaan. Modulaarisen ohjelmiston avulla suunnittelijat voivat yksinkertaisesti vaihtaa osan vaikuttamatta koneen muihin toimintoihin. Tämä muutos voitaisiin automatisoida, jolloin laitevalmistaja tai jopa asiakas voi nopeasti vaihtaa koneen toimintojen välillä. Mitään ei tarvitse ohjelmoida uudelleen, koska moduuli on jo koneessa.

Koneenrakentajat voivat tarjota vakioperuskoneen ja lisäominaisuuksia jokaisen asiakkaan yksilöllisten vaatimusten täyttämiseksi. Mekaanisten, sähköisten ja ohjelmistomoduulien portfolion kehittäminen helpottaa konfiguroitavien koneiden nopeaa kokoamista.

Modulaarisen ohjelmiston tehokkuuden maksimoimiseksi on kuitenkin tärkeää noudattaa alan standardeja, varsinkin jos käytät useampaa kuin yhtä toimittajaa. Jos taajuusmuuttajan ja anturin toimittaja ei noudata alan standardeja, komponentit eivät voi kommunikoida keskenään ja kaikki modulaarisuuden tehokkuus menetetään osien yhdistämisen miettimisessä.

Lisäksi, jos asiakkaasi aikoo yhdistää tietovirran pilviverkkoon, on tärkeää, että kaikki ohjelmistot luodaan alan standardiprotokollia käyttäen, jotta laite voi toimia muiden koneiden kanssa ja olla yhteydessä pilvipalveluihin.

OPC UA ja MQTT ovat yleisimmät ohjelmistoarkkitehtuurit. OPC UA mahdollistaa lähes reaaliaikaisen kommunikaation koneiden, ohjainten, pilven ja muiden IT-laitteiden välillä ja on luultavasti lähimpänä kokonaisvaltaista kommunikaatioinfrastruktuuria. MQTT on kevyempi IIoT-viestiprotokolla, jonka avulla kaksi sovellusta voi kommunikoida keskenään. Sitä käytetään usein yhdessä tuotteessa – esimerkiksi anturi tai asema voi hakea tietoja tuotteesta ja lähettää ne pilveen.

【Pilviyhteydet】

Yhteenliitetyt, suljetun kierron koneet ovat edelleen enemmistönä, mutta täysin pilveen verkotetut tehtaat ovat kasvattaneet suosiotaan. Tämä trendi voisi nostaa ennakoivan kunnossapidon ja datalähtöisen tuotannon tasoa ja on seuraava merkittävä muutos tehdasohjelmistoissa; se alkaa etäyhteydestä.

Pilviverkkoon kytketyt tehtaat analysoivat dataa eri prosesseista, eri tuotantolinjoilta ja muista lähteistä luodakseen kattavampia esityksiä tuotantoprosesseista. Näin ne voivat vertailla eri tuotantolaitosten laitteiden kokonaistehokkuutta (OEE). Huippuluokan laitevalmistajat tekevät yhteistyötä luotettavien automaatiokumppaneiden kanssa tarjotakseen pilvivalmiita koneita, joissa on modulaariset Industry 4.0 -ominaisuudet ja jotka voivat lähettää loppukäyttäjien tarvitsemaa dataa.

Koneenrakentajille liikkeenohjausautomaation käyttö ja kokonaisvaltainen, prosessiin keskittyvä lähestymistapa asiakkaiden tehtaiden tai yritysten tehostamiseksi takaavat varmasti lisää liiketoimintaa.