Что нужно знать производителям оригинального оборудования и инженерам-конструкторам о двигателях, приводах и контроллерах.

Независимо от того, совершенствуют ли конструкторы существующую машину, ориентированную на движение, или создают новую, крайне важно начать с управления движением. Затем они смогут разработать проект, исходя из наилучшего способа эффективной автоматизации.

Машины, основанные на движении, должны проектироваться и создаваться с учётом их основных функций. Например, для печатной машины, требующей определённого набора операций намотки, конструкторы сосредоточатся на критически важных деталях и разработают остальные компоненты машины для поддержки основных функций.

Это звучит как базовый курс инженерного проектирования, но в условиях жестких сроков вывода продукта на рынок и традиционного разделения команд на механический, электрический и программный отделы проектирование легко возвращается к преимущественно линейному процессу. Однако проектирование с учетом управления движением требует мехатронного подхода, который включает разработку исходных концепций, определение топологии системы и машинного подхода, а также выбор интерфейса подключения и архитектуры программного обеспечения.

Ниже приведены некоторые важные аспекты двигателей, приводов, контроллеров и программного обеспечения, которые инженерам следует учитывать с самого начала каждого проекта по проектированию машины, чтобы снизить неэффективность, ошибки и затраты, а также дать возможность производителям оригинального оборудования решать проблемы клиентов в кратчайшие сроки.

【Процесс проектирования】

Как правило, инженеры тратят большую часть своих инженерных усилий на то, как и куда перемещаются детали, особенно при разработке инновационных машин. Хотя инновационные сборки, безусловно, требуют больше всего времени, они часто обеспечивают наибольшую окупаемость инвестиций, особенно если команды используют новейшие технологии виртуального проектирования и модульного проектирования.

Первый шаг при разработке машины с нуля — это ответить на вопрос: каковы её критически важные функции? Например, машина должна быть простой в очистке, неприхотливой в обслуживании или высокоточной. Определите технологию, которая обеспечит требуемую функциональность, производительность или уровень обслуживания.

Чем сложнее решаемая задача, тем сложнее будет определить наиболее важные функции. Рассмотрите возможность сотрудничества с поставщиком решений для автоматизации движения, который поможет определить критически важные детали и выбрать правильный подход.

Затем спросите: каковы стандартные функции машины? Возвращаясь к примеру с более ранней печатной машиной, можно сказать, что натяжение и датчики, используемые для размотки материала, на котором выполняется печать, довольно стандартны. Фактически, около 80% задач новой машины представляют собой вариации задач предыдущих моделей.

Использование модульного оборудования и программирования кода для реализации инженерных требований к стандартным функциям значительно сокращает объём ресурсов, необходимых для завершения проекта. Кроме того, оно использует проверенные временем функции, что повышает надёжность и позволяет сосредоточиться на более сложных этапах проектирования.

Сотрудничество с партнером по управлению движением, который может предоставить стандартные функции с модульным оборудованием и программным обеспечением, позволит вам сосредоточиться на функциях с добавленной стоимостью, которые отличают ваш продукт от продуктов конкурентов.

В типичном проекте инженеры-механики создают конструкцию машины и её механические компоненты; инженеры-электрики добавляют электронику, включая приводы, провода и элементы управления; а затем инженеры-программисты пишут код. Каждый раз, когда возникает ошибка или проблема, проектной группе приходится возвращаться к ней и исправлять её. Столько времени и сил в процессе проектирования тратится на переделку конструкции в связи с изменениями или ошибками. К счастью, проектирование механики с помощью САПР и разрозненное планирование и проектирование практически ушли в прошлое.

Сегодня виртуальное проектирование позволяет командам проектировать работу машин, используя несколько параллельных путей, что значительно сокращает цикл разработки и время вывода продукции на рынок. Благодаря созданию цифрового двойника (виртуального представления 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 используемые в ней технологии. Например, возможно, процесс требует подачи материала в загрузочное устройство машины до тех пор, пока не будет собрано необходимое количество материала, а затем он будет порезан; это означает, что вам необходимо найти способ остановить подачу материала, когда необходимо порезать материал. Существует несколько способов решения этой проблемы, и каждый из них может повлиять на работу машины в целом. С помощью цифрового двойника легко опробовать различные решения или переместить компоненты, чтобы увидеть, как это повлияет на работу, и это приводит к более эффективному (и менее затратному) прототипированию.

Виртуальное проектирование позволяет всем группам разработчиков увидеть, как вся машина и ее пересекающиеся концепции работают вместе для достижения определенной цели или целей.

【Выбор топологии】

Сложные конструкции с несколькими функциями, многокоординатным и многомерным движением, а также более высокой производительностью и производительностью делают топологию системы ещё более сложной. Выбор между централизованной автоматизацией на базе контроллера и децентрализованной автоматизацией на базе привода зависит от конструкции машины. То, какие функции выполняет машина, как общие, так и локальные, влияет на выбор централизованной или децентрализованной топологии. На это решение также влияют пространство в шкафу, размер машины, условия окружающей среды и даже время монтажа.

Централизованная автоматизация. Лучший способ обеспечить скоординированное управление движением сложных машин — это автоматизация на базе контроллера. Команды управления движением обычно передаются конкретным сервоинверторам по стандартизированной шине реального времени, например EtherCAT, а инверторы управляют всеми двигателями.

Автоматизация на базе контроллера позволяет координировать движение нескольких осей для выполнения сложной задачи. Это идеальная топология, если движение — это основа машины, и все ее части должны быть синхронизированы. Например, если для правильного позиционирования манипулятора робота критически важно, чтобы каждая ось движения находилась в определенном положении, вы, вероятно, выберете автоматизацию на базе контроллера.

Децентрализованная автоматизация. Благодаря более компактным машинам и модулям, децентрализованное управление движением снижает или устраняет нагрузку на системы управления. Вместо этого, небольшие инверторные приводы берут на себя функции децентрализованного управления, система ввода-вывода обрабатывает 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 центральным управлением. Вместо этого каждая часть машины работает быстро и независимо, отчитываясь только после завершения своей задачи. Поскольку каждое устройство обрабатывает свою собственную нагрузку в такой схеме, вся машина может использовать преимущества более распределённой вычислительной мощности.

Централизованное и децентрализованное управление. Хотя централизованная автоматизация обеспечивает координацию, а децентрализованная — более эффективную распределённую вычислительную мощность, иногда наилучшим выбором является сочетание обоих подходов. Окончательное решение зависит от общих требований, включая цели, связанные с: соотношением стоимости и ценности, производительностью, эффективностью, надёжностью с течением времени и требованиями безопасности.

Чем сложнее проект, тем важнее иметь партнёра-инженера по управлению движением, который может дать рекомендации по различным аспектам. Когда производитель оборудования предлагает видение, а партнёр по автоматизации — инструменты, именно тогда вы получаете оптимальное решение.

【Сетевое взаимодействие машин】

Создание чистой, перспективной взаимосвязи также является ключевым этапом проектирования с учётом управления движением. Протокол связи так же важен, как и расположение двигателей и приводов, поскольку важно не только, что делают компоненты, но и как всё это соединяется.

Грамотное проектирование сокращает количество проводов и расстояние, которое им необходимо проложить. Например, набор из 10–15 проводов, идущих к удалённому терминалу, можно заменить кабелем Ethernet с использованием промышленного протокола связи, такого как EtherCAT. Ethernet — не единственный вариант, но какой бы протокол вы ни использовали, убедитесь, что у вас есть подходящие коммуникационные инструменты или шины, чтобы можно было использовать распространённые протоколы. Выбор подходящей коммуникационной шины и наличие плана её расположения значительно упростят будущее расширение.

С самого начала сосредоточьтесь на разработке качественной конструкции внутри шкафа. Например, не размещайте блоки питания рядом с электронными компонентами, подверженными воздействию магнитных помех. Компоненты с высокими токами или частотами могут создавать электрические помехи в проводах. Поэтому для оптимальной работы размещайте высоковольтные компоненты подальше от низковольтных. Кроме того, выясните, имеет ли ваша сеть сертификат безопасности. Если нет, вам, вероятно, понадобятся резервные соединения с жесткими проводами, чтобы в случае выхода из строя одного компонента он мог обнаружить свой отказ и отреагировать.

По мере того, как промышленный Интернет вещей (IIoT) набирает силу, подумайте о добавлении расширенных функций, к использованию которых вы или ваши клиенты, возможно, ещё не готовы. Встраивание этих функций в оборудование облегчит его последующую модернизацию.

【Программное обеспечение】

По оценкам отрасли, вскоре OEM-производителям придётся тратить 50–60% времени разработки машин на решение задач, связанных с программным обеспечением. Переход от механики к интерфейсу ставит небольших производителей машин в невыгодное положение, но может уравнять шансы для компаний, готовых внедрить модульное программное обеспечение и стандартизированные открытые протоколы.

Организация программного обеспечения может расширять или ограничивать возможности машины как сейчас, так и в будущем. Как и модульное оборудование, модульное программное обеспечение повышает скорость и эффективность машиностроения.

Например, вы проектируете машину и хотите добавить дополнительный этап между двумя фазами. Если вы используете модульное программное обеспечение, вы можете просто добавить компонент без перепрограммирования или перекодирования. А если у вас шесть секций, выполняющих одну и ту же функцию, вы можете написать код один раз и использовать его во всех шести секциях.

Модульное программное обеспечение не только повышает эффективность проектирования, но и позволяет инженерам обеспечить необходимую заказчикам гибкость. Например, заказчику требуется машина, работающая с изделиями разных размеров, и для достижения наибольшего размера требуется изменение функционирования одной секции. Модульное программное обеспечение позволяет проектировщикам просто заменить секцию, не влияя на остальные функции машины. Это изменение можно автоматизировать, чтобы производитель оригинального оборудования (OEM) или даже заказчик мог быстро переключаться между функциями машины. Перепрограммировать ничего не нужно, поскольку модуль уже установлен в машине.

Производители машин могут предложить стандартную базовую машину с дополнительными функциями, отвечающими уникальным требованиям каждого заказчика. Разработка портфеля механических, электрических и программных модулей упрощает быструю сборку машин с возможностью настройки.

Однако для максимальной эффективности модульного программного обеспечения крайне важно соблюдать отраслевые стандарты, особенно если вы работаете с несколькими поставщиками. Если поставщик привода и датчика не соблюдает отраслевые стандарты, эти компоненты не смогут взаимодействовать друг с другом, и весь потенциал модульности будет потерян из-за необходимости поиска способа соединения компонентов.

Кроме того, если ваш клиент планирует подключить поток данных к облачной сети, крайне важно, чтобы все программное обеспечение было создано с использованием стандартных отраслевых протоколов, чтобы машина могла работать с другими машинами и взаимодействовать с облачными сервисами.

OPC UA и MQTT — наиболее распространённые стандартные программные архитектуры. OPC UA обеспечивает взаимодействие между машинами, контроллерами, облаком и другими ИТ-устройствами в режиме, близком к реальному времени, и, вероятно, наиболее близок к целостной коммуникационной инфраструктуре. MQTT — это более лёгкий протокол обмена сообщениями для IIoT, позволяющий двум приложениям взаимодействовать друг с другом. Он часто используется в одном продукте, позволяя, например, датчику или накопителю получать информацию от продукта и отправлять её в облако.

【Подключение к облаку】

Взаимосвязанные машины замкнутого цикла по-прежнему составляют большинство, но заводы, полностью подключенные к облаку, становятся всё более популярными. Эта тенденция может повысить уровень предиктивного обслуживания и производства на основе данных и станет следующим крупным изменением в заводском программном обеспечении; оно начинается с удалённого подключения.

Предприятия, подключенные к облачной сети, анализируют данные различных процессов, производственных линий и других источников, создавая более полное представление о производственном процессе. Это позволяет им сравнивать общую эффективность оборудования (OEE) различных производственных объектов. Передовые OEM-производители работают с надежными партнерами по автоматизации, предлагая готовые к облачным технологиям машины с модульными функциями Индустрии 4.0, которые могут передавать необходимые конечным пользователям данные.

Для производителей машин использование автоматизации управления движением и комплексного подхода ко всем процессам с целью повышения эффективности заводов или компаний клиентов, несомненно, станет источником новых заказов.