Що потрібно знати виробникам оригінального обладнання та інженерам-конструкторам про двигуни, приводи та контролери.

Незалежно від того, чи вдосконалюють конструктори машину, орієнтовану на рух, чи створюють нову, важливо починати з урахування керування рухом. Тоді вони можуть розробити конструкцію, яка найкраще підходить для досягнення ефективної та результативної автоматизації.

Машини на основі руху слід проектувати та створювати з урахуванням їхніх основних функцій. Наприклад, для друкарської машини, яка залежить від певного набору застосувань намотування, конструктори зосереджуються на критичних деталях та розробляють решту машини для підтримки основних функцій.

Це звучить як основи проектування, але через тиск часу виходу на ринок та традиційно ізольовані команди у відділах механіки, електротехніки та програмного забезпечення, проектування легко повернутися до значною мірою лінійного процесу. Однак проектування з урахуванням керування рухом вимагає мехатронного підходу, який включає розробку початкових концепцій, визначення топології системи та машинного підходу, а також вибір інтерфейсу підключення та архітектури програмного забезпечення.

Ось деякі важливі аспекти двигунів, приводів, контролерів та програмного забезпечення, які інженери повинні враховувати з самого початку кожного проєкту проектування машин, щоб зменшити неефективність, помилки та витрати, а також дати змогу виробникам оригінального обладнання вирішувати проблеми клієнтів за менший час.

【Процес проектування】

Як і куди переміщуються деталі, інженери зазвичай витрачають найбільше своїх інженерних зусиль, особливо під час розробки інноваційних машин. Хоча інноваційні збірки є найбільш трудомісткими, вони часто пропонують найбільшу рентабельність інвестицій, особливо якщо команди використовують найновіші технології віртуальної інженерії та модульних конструкцій.

Першим кроком під час розробки машини з нуля є питання: які критичні функції цієї машини? Це може бути створення машини, яку легко чистити, яка не потребує особливого обслуговування або має високу точність. Визначте технологію, яка забезпечить необхідну функцію, продуктивність або рівень обслуговування.

Чим складніша проблема, яку потрібно вирішити, тим важче буде визначити найважливіші функції. Розгляньте можливість співпраці з постачальником автоматизації, орієнтованої на рух, який може допомогти визначити критичні деталі та визначити правильний підхід.

Тоді запитайте: Які стандартні функції машини? Залишаючись у попередньому прикладі друкарської машини, елементи керування натягом та датчики, що використовуються для розмотування матеріалу, на якому друкується, є досить стандартними. Фактично, близько 80% завдань нової машини є варіаціями завдань попередніх машин.

Використання модульного обладнання та програмного коду для виконання інженерних вимог до стандартних функцій значно зменшує обсяг проектних ресурсів, необхідних для завершення проекту. Також використовуються перевірені часом функції, що підвищує надійність і дозволяє зосередитися на складніших частинах проекту.

Співпраця з партнером з управління рухом, який може надавати стандартні функції з модульним апаратним та програмним забезпеченням, означає, що ви можете зосередитися на додаткових функціях, які відрізняють ваш продукт від продуктів конкурентів.

У типовому проекті проектування інженери-механіки створюють конструкцію машини та її механічні компоненти; інженери-електрики додають електроніку, включаючи приводи, дроти та елементи керування; а потім інженери-програмісти пишуть код. Щоразу, коли виникає помилка або проблема, команда проекту повинна повернутися назад і виправити її. Так багато часу та енергії в процесі проектування витрачається на повторне проектування на основі змін або помилок. На щастя, проектування механіки за допомогою програмного забезпечення САПР та ізольоване планування та проектування майже залишилися в минулому.

Сьогодні віртуальна інженерія дозволяє командам проектувати роботу машин за кількома паралельними шляхами, що значно скорочує цикл розробки та час виходу на ринок. Створюючи цифрового двійника (віртуальне представлення машини), кожен відділ може працювати самостійно та розробляти деталі й елементи керування одночасно з рештою команди.

Цифровий двійник дозволяє інженерам швидко тестувати різні конструкції машини, а також технології вашої машини. Наприклад, можливо, процес вимагає подачі матеріалу в машинний механізм, доки не буде зібрано потрібну кількість, а потім матеріал буде нарізаний; це означає, що ви повинні знайти спосіб зупинити подачу, коли матеріал потрібно нарізати. Існує кілька способів вирішення цієї проблеми, і всі вони можуть впливати на роботу машини в цілому. Випробування різних рішень або переміщення компонентів, щоб побачити, як це впливає на роботу, є простим за допомогою цифрового двійника та призводить до більш ефективного (і меншого) прототипування.

Віртуальна інженерія дозволяє всім командам конструкторів бачити, як вся машина та її перекриваючі концепції працюють разом для досягнення певної мети або цілей.

【Вибір топології】

Складні конструкції з кількома функціями, більш ніж однією віссю руху та багатовимірним рухом, а також швидша продуктивність та пропускна здатність роблять топологію системи такою ж складною. Вибір між централізованою автоматизацією на основі контролера або децентралізованою автоматизацією на основі приводу залежить від проектованої машини. Те, що робить машина, як її загальні, так і локальні функції, впливає на те, чи ви оберете централізовану чи децентралізовану топологію. Простір у шафі, розмір машини, умови навколишнього середовища та навіть час встановлення також впливають на це рішення.

Централізована автоматизація. Найкращий спосіб отримати скоординоване керування рухом для складних машин – це автоматизація на основі контролера. Команди керування рухом зазвичай передаються на певні сервоінвертори через стандартизовану шину реального часу, таку як EtherCAT, а інвертори керують усіма двигунами.

Завдяки автоматизації на основі контролера можна координувати кілька осей руху для виконання складного завдання. Це ідеальна топологія, якщо рух є основою машини, і всі частини мають бути синхронізовані. Наприклад, якщо критично важливо, щоб кожна вісь руху знаходилася в певному місці, щоб правильно позиціонувати руку робота, ви, ймовірно, оберете автоматизацію на основі контролера.

Децентралізована автоматизація. Завдяки компактнішим машинам і машинним модулям, децентралізоване керування рухом зменшує або усуває навантаження на системи керування машинами. Натомість, менші інверторні приводи беруть на себе обов'язки децентралізованого керування, система вводу/виводу оцінює сигнали керування, а комунікаційна шина, така як EtherCAT, утворює наскрізну мережу.

Децентралізована автоматизація ідеальна, коли одна частина машини може взяти на себе відповідальність за виконання завдання і не повинна постійно звітувати до центрального управління. Натомість кожна частина машини працює швидко та незалежно, звітуючи лише після завершення свого завдання. Оскільки кожен пристрій обробляє своє власне навантаження в такій схемі, вся машина може скористатися перевагами більш розподіленої обчислювальної потужності.

Централізоване та децентралізоване керування. Хоча централізована автоматизація забезпечує координацію, а децентралізована — більш ефективну розподілену обчислювальну потужність, іноді найкращим вибором є поєднання обох. Остаточне рішення залежить від загальних вимог, включаючи цілі, пов'язані з: співвідношенням вартості/цінності, пропускною здатністю, ефективністю, надійністю з часом, специфікаціями безпеки.

Чим складніший проект, тим важливіше мати партнера з інженерії управління рухом, який може надати консультації з різних аспектів. Коли виробник машин пропонує своє бачення, а партнер з автоматизації надає інструменти, саме тоді ви отримуєте найкраще рішення.

【Машинна мережа】

Встановлення чистого, перспективного взаємозв'язку також є ключовим кроком у проектуванні з урахуванням керування рухом. Протокол зв'язку так само важливий, як і розташування двигунів і приводів, оскільки йдеться не лише про те, що роблять компоненти, а й про те, як все це підключається.

Гарний дизайн зменшує кількість проводів та відстань, яку вони повинні пройти. Наприклад, набір із 10-15 проводів, що йдуть до віддаленого терміналу, можна замінити кабелем Ethernet з використанням промислового комунікаційного протоколу, такого як EtherCAT. Ethernet — не єдиний вибір, але який би з них ви не використовували, переконайтеся, що у вас є правильні засоби зв'язку або шини, щоб ви могли використовувати поширені протоколи. Вибір хорошої комунікаційної шини та наявність плану того, як все буде розміщено, значно полегшує майбутнє розширення.

З самого початку зосередьтеся на створенні гарного дизайну всередині шафи. Наприклад, не розміщуйте блоки живлення поблизу електронних компонентів, на які можуть впливати магнітні перешкоди. Компоненти з високими струмами або частотами можуть генерувати електричний шум у проводах. Тому для найкращої роботи тримайте високовольтні компоненти подалі від низьковольтних. Крім того, дізнайтеся, чи має ваша мережа рейтинг безпеки. Якщо ні, вам, ймовірно, знадобляться апаратно-дротові резервні захисні з'єднання, щоб у разі відмови однієї частини система виявила свою власну несправність і відреагувала.

Зі впровадженням промислового Інтернету речей (IIoT) подумайте про додавання розширених функцій, які ви або ваші клієнти, можливо, ще не готові використовувати. Вбудовані можливості в машину означають, що її буде легше модернізувати пізніше.

【Програмне забезпечення】

Згідно з галузевими оцінками, незабаром виробникам оригінального обладнання доведеться витрачати 50-60% свого часу на розробку машин, зосереджуючись на вимогах до програмного забезпечення. Перехід від зосередження уваги на механіці до зосередження уваги на інтерфейсі ставить невеликих виробників машин у невигідне конкурентне становище, але також може зрівняти умови для компаній, які бажають впроваджувати модульне програмне забезпечення та стандартизовані відкриті протоколи.

Організація програмного забезпечення може розширювати або обмежувати можливості машини зараз і в майбутньому. Як і модульне обладнання, модульне програмне забезпечення підвищує швидкість та ефективність машинобудування.

Наприклад, припустимо, що ви проектуєте машину та хочете додати додатковий крок між двома фазами. Якщо ви використовуєте модульне програмне забезпечення, ви можете просто додати компонент без перепрограмування чи перекодування. А якщо у вас є шість секцій, які виконують одну й ту саму дію, ви можете написати код один раз і використовувати його в усіх шести секціях.

Модульне програмне забезпечення не лише підвищує ефективність проектування, але й дозволяє інженерам забезпечити гнучкість, якої прагнуть клієнти. Наприклад, скажімо, клієнт хоче машину, яка працює з продуктами різних розмірів, а найбільший розмір вимагає зміни функціонування однієї секції. Завдяки модульному програмному забезпеченню конструктори можуть просто замінити секцію, не впливаючи на решту функцій машини. Цю зміну можна автоматизувати, щоб виробник оригінального обладнання або навіть клієнт міг швидко перемикатися між функціями машини. Немає потреби перепрограмовувати, оскільки модуль вже є в машині.

Виробники машин можуть запропонувати стандартну базову машину з додатковими функціями, щоб задовольнити унікальні вимоги кожного клієнта. Розробка портфоліо механічних, електричних та програмних модулів спрощує швидке складання конфігурованих машин.

Однак, щоб отримати максимальну ефективність від модульного програмного забезпечення, важливо дотримуватися галузевих стандартів, особливо якщо ви використовуєте послуг кількох постачальників. Якщо постачальник приводу та датчика не дотримується галузевих стандартів, то ці компоненти не можуть взаємодіяти один з одним, і вся ефективність модульності втрачається під час визначення способу з'єднання деталей.

Крім того, якщо ваш клієнт планує підключити потік даних до хмарної мережі, важливо, щоб будь-яке програмне забезпечення було створено з використанням стандартних галузевих протоколів, щоб машина могла працювати з іншими машинами та взаємодіяти з хмарними сервісами.

OPC UA та MQTT – найпоширеніші стандартні архітектури програмного забезпечення. OPC UA забезпечує зв'язок майже в режимі реального часу між машинами, контролерами, хмарою та іншими ІТ-пристроями, і, ймовірно, є найближчим до цілісної комунікаційної інфраструктури, яку ви можете отримати. MQTT – це легший протокол обміну повідомленнями IIoT, який дозволяє двом програмам взаємодіяти одна з одною. Він часто використовується в одному продукті, дозволяючи, наприклад, датчику або накопичувачу отримувати інформацію з продукту та надсилати її в хмару.

【Підключення до хмари】

Взаємопов'язані машини із замкнутим циклом все ще становлять більшість, але фабрики, повністю підключені до хмари, набувають популярності. Ця тенденція може підвищити рівень прогнозного обслуговування та виробництва на основі даних і є наступною важливою зміною в програмному забезпеченні для заводів; вона починається з віддаленого підключення.

Хмарно-мережеві заводи аналізують дані з різних процесів, різних виробничих ліній тощо, щоб створювати повніші уявлення про виробничий процес. Це дозволяє їм порівнювати загальну ефективність обладнання (OEE) різних виробничих об'єктів. Передові виробники оригінального обладнання (OEM) співпрацюють з перевіреними партнерами з автоматизації, щоб пропонувати хмарно-готові машини з модульними можливостями Індустрії 4.0, які можуть надсилати дані, необхідні кінцевим користувачам.

Для машинобудівників використання автоматизації керування рухом та цілісного підходу до всіх процесів для підвищення ефективності заводів або компаній клієнтів обов'язково призведе до збільшення обсягів бізнесу.