מה שיצרני ציוד מקורי (OEM) ומהנדסי תכנון צריכים לדעת על מנועים, כוננים ובקרים.

בין אם מתכננים משפרים מכונה ממוקדת תנועה או בונים מכונה חדשה, חיוני שהם יתחילו עם בקרת תנועה בראש. לאחר מכן הם יוכלו לפתח את התכנון סביב הדרך הטובה ביותר להשגת אוטומציה יעילה ואפקטיבית.

מכונות מבוססות תנועה צריכות להיות מתוכננות ונבנות סביב תפקודי הליבה שלהן. עבור מכונת דפוס המסתמכת על קבוצה ספציפית של יישומי ליפוף, לדוגמה, מעצבים יתמקדו בחלקים הקריטיים ויפתחו את שאר המכונה לתמיכה בתפקודי הליבה.

זה נשמע כמו הנדסת תכנון 101, אבל עם לחצי זמן יציאה לשוק וצוותים שבאופן מסורתי מבודדים למחלקות מכניות, חשמל ותוכנה, קל לתכנון לחזור לתהליך ליניארי ברובו. תכנון תוך מחשבה על בקרת תנועה, לעומת זאת, דורש גישה מכטרוניקה הכוללת פיתוח הקונספטים הראשוניים, קביעת טופולוגיית המערכת וגישת המכונה, ובחירת ממשק החיבור וארכיטקטורת התוכנה.

הנה כמה היבטים חיוניים של מנועים, כוננים, בקרים ותוכנה שמהנדסים צריכים לקחת בחשבון מתחילת כל פרויקט תכנון מכונה כדי להפחית חוסר יעילות, שגיאות ועלויות, תוך מתן אפשרות ליצרני ציוד מקורי (OEM) לפתור בעיות של לקוחות בפחות זמן.

【תהליך העיצוב】

כיצד והיכן חלקים נעים הם בדרך כלל המקום שבו מהנדסים משקיעים את רוב מאמצי ההנדסה שלהם, במיוחד בעת פיתוח מכונות חדשניות. למרות שבניית פרויקטים חדשניים גוזלת את הזמן הרב ביותר, היא מציעה לעתים קרובות את החזר ההשקעה הגדול ביותר, במיוחד אם צוותים משתמשים בחידושים העדכניים ביותר בהנדסה וירטואלית ובעיצובים מודולריים.

הצעד הראשון בפיתוח מכונה מאפס הוא לשאול: מהן הפונקציות הקריטיות של מכונה זו? זה יכול להיות ייצור מכונה קלה לניקוי, דורשת תחזוקה מועטה או בעלת רמת דיוק גבוהה. זהה את הטכנולוגיה שתספק את הפונקציה, הביצועים או רמת התחזוקה הנדרשים.

ככל שהבעיה שיש לפתור מורכבת יותר, כך יהיה קשה יותר לקבוע את הפונקציות החיוניות ביותר. שקלו לעבוד עם ספק אוטומציה ממוקדת תנועה שיכול לעזור להגדיר את הפרטים הקריטיים ולקבוע את הגישה הנכונה.

לאחר מכן שאלו: מהן הפונקציות הסטנדרטיות של המכונה? בהתחשב בדוגמה של מכונת הדפוס הקודמת, בקרות המתח והחיישנים המשמשות לפירוק החומר עליו מודפס הן סטנדרטיות למדי. למעשה, כ-80% ממשימות המכונה החדשה הן וריאציות על משימות של מכונות קודמות.

שימוש בחומרה מודולרית ותכנות קוד לטיפול בדרישות ההנדסיות עבור פונקציות סטנדרטיות מפחית משמעותית את כמות משאבי התכנון הנדרשים להשלמת הפרויקט. כמו כן, הוא משתמש בפונקציות מוכחות, ובכך מגביר את האמינות ומאפשר לך להתמקד בחלקים מורכבים יותר של התכנון.

עבודה עם שותף לבקרת תנועה שיכול לספק פונקציות סטנדרטיות עם חומרה ותוכנה מודולריות מאפשרת לכם להתמקד בתכונות בעלות הערך המוסיף שמבדילות את המוצר שלכם מהמתחרים.

בפרויקט תכנון טיפוסי, מהנדסי מכונות בונים את מבנה המכונה ואת הרכיבים המכניים שלה; מהנדסי חשמל מוסיפים את האלקטרוניקה, כולל כוננים, חוטים ובקרות; ולאחר מכן מהנדסי תוכנה כותבים את הקוד. בכל פעם שיש טעות או בעיה, צוות הפרויקט צריך לחזור בה ולתקן אותה. כל כך הרבה זמן ואנרגיה בתהליך התכנון מושקעים בביצוע מחדש של התכנון המבוסס על שינויים או טעויות. למרבה המזל, תכנון מכניקה עם תוכנת CAD ותכנון ועיצוב מבודדים הם כמעט נחלת העבר.

כיום, הנדסה וירטואלית מאפשרת לצוותים לתכנן כיצד מכונות יעבדו באמצעות מספר נתיבים מקבילים, ובכך לקצר באופן דרמטי את מחזור הפיתוח ואת זמן ההגעה לשוק. על ידי יצירת תאום דיגיטלי (ייצוג וירטואלי של המכונה), כל מחלקה יכולה לעבוד בכוחות עצמה ולפתח חלקים ובקרות במקביל לשאר הצוות.

תאום דיגיטלי מאפשר למהנדסים לבחון במהירות עיצובים שונים עבור מכונה, כמו גם עבור טכנולוגיות המכונה שלכם. לדוגמה, אולי תהליך דורש הזנת חומר להזנת מכונה עד לאיסוף הכמות הרצויה ולאחר מכן החומר נחתך; משמעות הדבר היא שעליכם למצוא דרך לעצור את ההזנה בכל פעם שצריך לחתוך את החומר. ישנן מספר דרכים להתמודד עם אתגר זה, וכולן עשויות להשפיע על אופן פעולת המכונה כולה. ניסיון של פתרונות שונים או העברת רכיבים למיקומו כדי לראות כיצד זה משפיע על התפעול הוא פשוט עם תאום דיגיטלי ומוביל לייצור אבות טיפוס יעיל יותר (ופחות).

הנדסה וירטואלית מאפשרת לכל צוותי התכנון לראות כיצד המכונה כולה והמושגים החופפים שלה פועלים יחד כדי להשיג מטרה או מטרות מסוימות.

【בחירת הטופולוגיה】

עיצובים מורכבים עם מספר פונקציות, יותר מציר תנועה אחד ותנועה רב-ממדית, תפוקה ותפוקה מהירים יותר הופכים את טופולוגיית המערכת למסובכת באותה מידה. הבחירה בין אוטומציה מרכזית מבוססת בקר לבין אוטומציה מבוזרת מבוססת הנעה תלויה במכונה המתוכננת. מה שהמכונה עושה, הן הפונקציות הכוללות והן הפונקציות המקומיות שלה, משפיע על בחירת טופולוגיה מרכזית או מבוזרת. שטח הארון, גודל המכונה, תנאי הסביבה ואפילו זמן ההתקנה משפיעים גם הם על החלטה זו.

אוטומציה מרכזית. הדרך הטובה ביותר להשיג בקרת תנועה מתואמת עבור מכונות מורכבות היא באמצעות אוטומציה מבוססת בקר. פקודות בקרת תנועה מועברות בדרך כלל לממירי סרוו ספציפיים דרך אפיק זמן אמת סטנדרטי כמו EtherCAT, והממירים מניעים את כל המנועים.

בעזרת אוטומציה מבוססת בקר, ניתן לתאם מספר צירי תנועה לביצוע משימה מורכבת. זוהי טופולוגיה אידיאלית אם התנועה היא בלב המכונה וכל החלקים חייבים להיות מסונכרנים. לדוגמה, אם קריטי שכל ציר תנועה יהיה במקום מסוים כדי להגיע למיקום נכון של זרוע רובוט, סביר להניח שתבחרו באוטומציה מבוססת בקר.

אוטומציה מבוזרת. עם מכונות ומודולי מכונה קומפקטיים יותר, בקרת תנועה מבוזרת הפחיתה או מבטלת את העומס על בקרות המכונה. במקום זאת, מנועי ממיר קטנים יותר נוטלים על עצמם את האחריות על בקרה מבוזרת, מערכת קלט/פלט מעריכה את אותות הבקרה, ואפיק תקשורת כמו EtherCAT יוצר רשת מקצה לקצה.

אוטומציה מבוזרת היא אידיאלית כאשר חלק אחד של המכונה יכול לקחת אחריות על השלמת משימה ואינו צריך לדווח כל הזמן לשליטה המרכזית. במקום זאת, כל חלק של המכונה פועל במהירות ובאופן עצמאי, ומדווח רק לאחר השלמת המשימה שלו. מכיוון שכל התקן מטפל בעומס שלו בסידור כזה, המכונה כולה יכולה לנצל כוח עיבוד מבוזר יותר.

בקרה מרכזית ומבוזרת. למרות שאוטומציה מרכזית מספקת תיאום ובקרה מבוזרת מספקת כוח עיבוד מבוזר יעיל יותר, שילוב של שניהם הוא לפעמים הבחירה הטובה ביותר. ההחלטה הסופית תלויה בדרישות מקיפות, כולל מטרות הקשורות ל: עלות/ערך, תפוקה, יעילות, אמינות לאורך זמן, מפרטי בטיחות.

ככל שהפרויקט מורכב יותר, כך חשוב יותר שיהיה שותף הנדסי לבקרת תנועה שיכול לתת ייעוץ בהיבטים השונים. כאשר בונה המכונות מביא את החזון ושותף האוטומציה מביא את הכלים, זה הזמן לקבל את הפתרון הטוב ביותר.

【רשת מכונות】

יצירת קישוריות נקייה ועמידה לעתיד היא גם צעד מפתח בתכנון תוך מחשבה על בקרת תנועה. פרוטוקול התקשורת חיוני בדיוק כמו מיקום המנועים והכוננים, כי זה לא רק מה שהרכיבים עושים - אלא גם איך מחברים את הכל.

תכנון טוב מפחית את מספר החוטים ואת המרחק שהם צריכים לעבור. לדוגמה, ניתן להחליף סט של 10 עד 15 חוטים המובילים למסוף מרוחק בכבל Ethernet באמצעות פרוטוקול תקשורת תעשייתי כמו EtherCAT. Ethernet אינו האפשרות היחידה, אך בכל אחת מהן תשתמשו, ודאו שיש לכם את כלי התקשורת או האפיקים הנכונים, כך שתוכלו להשתמש בפרוטוקולים נפוצים. בחירת אפיק תקשורת טוב ותכנון כיצד הכל ייבנה הופכים את הרחבות העתידיות להרבה יותר קלות.

התמקדו בבניית עיצוב טוב בתוך הארון כבר מההתחלה. לדוגמה, אל תמקמו ספקי כוח ליד רכיבים אלקטרוניים שעלולים להיות מושפעים מהפרעות מגנטיות. רכיבים עם זרמים או תדרים גבוהים עלולים לייצר רעש חשמלי בחוטים. לכן, הרחיקו רכיבים בעלי מתח גבוה מרכיבים בעלי מתח נמוך לפעולה מיטבית. בנוסף, בררו אם הרשת שלכם מדורגת בטיחות. אם לא, סביר להניח שתזדקקו לחיבורי בטיחות יתירים מחווטים, כך שאם חלק אחד נכשל, הוא יזהה את הכשל שלו ויגיב.

ככל שהאינטרנט התעשייתי של הדברים (IIoT) משתלט, שקלו להוסיף פונקציות מתקדמות שאתם או הלקוחות שלכם עדיין לא מוכנים להשתמש בהן. בניית היכולות במכונה תאפשר לכם לשדרג אותה בקלות רבה יותר בהמשך.

【תוֹכנָה】

על פי הערכות בתעשייה, לא ירחק היום בו יצרני ציוד מקורי (OEM) יצטרכו להקדיש 50-60% מזמן פיתוח המכונות שלהם לדרישות תוכנה. ההתפתחות מהתמקדות במכניקה להתמקדות בממשק מציבה בוני מכונות קטנים יותר בעמדת נחיתות תחרותית, אך יכולה גם ליצור תנאי תחרות שוויוניים עבור חברות המוכנות לאמץ תוכנה מודולרית ופרוטוקולים פתוחים וסטנדרטיים.

האופן שבו תוכנה מאורגנת יכול להרחיב או להגביל את מה שמכונה יכולה לעשות כעת ובעתיד. כמו חומרה מודולרית, תוכנה מודולרית משפרת את המהירות והיעילות של בניית מכונות.

לדוגמה, נניח שאתם מתכננים מכונה ורוצים להוסיף שלב נוסף בין שני שלבים. אם אתם משתמשים בתוכנה מודולרית, תוכלו פשוט להוסיף רכיב מבלי לתכנת מחדש או לקודד מחדש. ואם יש לכם שישה חלקים שכולם עושים את אותו הדבר, תוכלו לכתוב קוד פעם אחת ולהשתמש בו בכל ששת החלקים.

לא רק שתכנון יעיל יותר בעזרת תוכנה מודולרית, הוא גם מאפשר למהנדסים לספק את הגמישות לה הם כמהים. לדוגמה, נניח שהלקוח רוצה מכונה שמפעילה מוצרים בגדלים שונים, והגודל הגדול ביותר מחייב שינוי באופן שבו מקטע אחד פועל. בעזרת תוכנה מודולרית, מעצבים יכולים פשוט לשנות את המקטע מבלי להשפיע על שאר פונקציות המכונה. שינוי זה יכול להיות אוטומטי כדי לאפשר ליצרן הציוד המקורי (OEM), או אפילו ללקוח, לעבור במהירות בין פונקציות המכונה. אין צורך לתכנת מחדש מכיוון שהמודול כבר נמצא במכונה.

בוני מכונות יכולים להציע מכונה בסיסית סטנדרטית עם תכונות אופציונליות כדי לענות על הדרישות הייחודיות של כל לקוח. פיתוח תיק עבודות של מודולים מכניים, חשמליים ותוכנה מקל על הרכבה מהירה של מכונות הניתנות להגדרה.

עם זאת, כדי להפיק את היעילות המרבית מתוכנה מודולרית, חיוני לפעול לפי תקני התעשייה, במיוחד אם משתמשים ביותר מספק אחד. אם ספק הכונן והחיישן אינם פועלים לפי תקני התעשייה, אז רכיבים אלה אינם יכולים לתקשר זה עם זה וכל היעילות המודולרית הולכת לאיבוד בגילוי אופן חיבור החלקים.

בנוסף, אם הלקוח שלכם מתכנן לחבר את זרם הנתונים לרשת ענן, חיוני שכל תוכנה תיווצר באמצעות פרוטוקולים סטנדרטיים בתעשייה, כך שהמכונה תוכל לעבוד עם מכונות אחרות ולהתממשק עם שירותי ענן.

OPC UA ו-MQTT הן ארכיטקטורות התוכנה הסטנדרטיות הנפוצות ביותר. OPC UA מאפשר תקשורת כמעט בזמן אמת בין מכונות, בקרים, הענן והתקני IT אחרים, וכנראה הקרובה ביותר לתשתית תקשורת הוליסטית שניתן להשיג. MQTT הוא פרוטוקול העברת הודעות IIoT קל יותר המאפשר לשתי יישומים לתקשר זו עם זו. הוא משמש לעתים קרובות במוצר יחיד - ומאפשר, למשל, לחיישן או להינע למשוך מידע ממוצר ולשלוח אותו לענן.

【קישוריות ענן】

מכונות מחוברות זו לזו בלולאה סגורה הן עדיין הרוב, אך מפעלים המחוברים במלואם לענן צוברים פופולריות. מגמה זו עשויה להעלות את רמת התחזוקה החזויה והייצור המונע על ידי נתונים, והיא השינוי הגדול הבא בתוכנת מפעלים; זה מתחיל בקישוריות מרחוק.

מפעלים המחוברים לענן מנתחים נתונים מתהליכים שונים, קווי ייצור שונים ועוד כדי ליצור ייצוגים מלאים יותר של תהליך הייצור. זה מאפשר להם להשוות את יעילות הציוד הכוללת (OEE) של מתקני ייצור שונים. יצרני ציוד מקורי (OEM) מתקדמים עובדים עם שותפי אוטומציה מהימנים כדי להציע מכונות מוכנות לענן עם יכולות מודולריות של Industry 4.0 שיכולות לשלוח את הנתונים הדרושים למשתמשי הקצה.

עבור בוני מכונות, שימוש באוטומציה של בקרת תנועה וגישה הוליסטית וכוללת של תהליך כדי להפוך את מפעלי הלקוחות או החברות שלהם ליעילים יותר, יזכו בוודאות לעסקים רבים יותר.